Los sistemas de comunicación óptica clásicos en espacio libre han sido ampliamente estudiados en contraste con los sistemas cuánticos, los cuales hasta fechas relativamente recientes han ido adquiriendo gran interés para aplicaciones satelitales y distribución de llave cuántica. El adecuado diseño de los elementos que recolectan la luz en el receptor es crítico para un buen desempeño. Así, el objetivo principal del presente trabajo es presentar una metodología de diseño de antenas ópticas empleadas en comunicación cuántica. Se muestra la factibilidad y utilidad de la teoría paraxial para este diseño, permitiendo el empleo de componentes ópticos, tales como telescopios astronómicos usados en esquemas clásicos convencionales. Con la ayuda de herramientas de simulación, diseñamos una antena óptica para 1550 nm, empleando un telescopio tipo Cassegrain, y realizamos una prueba de concepto en laboratorio siendo capaces de captar tres fotones por bit validando la metodología sugerida.
Los sistemas de comunicación óptica clásicos en espacio libre han sido ampliamente estudiados en contraste con los sistemas cuánticos, los cuales hasta fechas relativamente recientes han ido adquiriendo gran interés para aplicaciones satelitales y distribución de llave cuántica. El adecuado diseño de los elementos que recolectan la luz en el receptor es crítico para un buen desempeño. Así, el objetivo principal del presente trabajo es presentar una metodología de diseño de antenas ópticas empleadas en comunicación cuántica. Se muestra la factibilidad y utilidad de la teoría paraxial para este diseño, permitiendo el empleo de componentes ópticos, tales como telescopios astronómicos usados en esquemas clásicos convencionales. Con la ayuda de herramientas de simulación, diseñamos una antena óptica para 1550 nm, empleando un telescopio tipo Cassegrain, y realizamos una prueba de concepto en laboratorio siendo capaces de captar tres fotones por bit validando la metodología sugerida.
En este trabajo se presentan los principios de los lazos optoelectrónicos básicos para sincronización de fase óptica en comunicaciones coherentes ópticas clásicas, así como su aplicación a sistemas de comunicaciones cuánticas empleando estados coherentes débiles (WCS). Se abordan dos lazos de fase continua, el OPLL y el lazo de Costas convencional (LCC) adem´as del lazo de Costas con cuadraturas conmutadas (LCCC), mostrando ventajas y compromisos en su diseño. Con el fin de evaluar el desempeño de estos lazos desarrollamos una plataforma de simulación basándonos en el programa VPI Photonics Maker empleando para ésto parámetros de componentes comerciales. Así, mediante el uso de la plataforma desarrollada es posible mostrar la equivalencia en desempeño del LCCC con respecto al LCC y que el LCCC puede tener mejor desempeño que el LCC (si es diseñado adecuadamente) en la etapa de recepción de un sistema de comunicaciones cuánticas coherentes empleando WCS con difusión de fase óptica. Dado que las simulaciones se realizaron basándonos en componentes comerciales, es de esperarse que en la implementación práctica se obtengan resultados experimentales semejantes a los de la plataforma de simulación.
Actualmente existe un consenso en que las comunicaciones opticas en espacio libre constituiran la proxima generacion de enlaces inalambricos de alta velocidad en varios escenarios estrategicos. Esta tesis se centra en los dos donde esta tecnologia puede producir un mayor impacto: comunicaciones interplanetarias y comunicaciones cuanticas. Consecuentemente, este trabajo esta estructurado en dos bloques. En el primero, se ofrece una propuesta novedosa relacionada con la utilizacion de telescopios Cherenkov como estaciones receptoras. Las senales que se recibiran en la Tierra desde sondas en espacio profundo en futuras implementaciones de comunicaciones opticas seran extremadamente debiles y se requeriran nuevas estaciones terrenas para dar soporte a estos enlaces. Esta tesis analiza la viabilidad de utilizar la tecnologia desarrollada para los telescopios de rayos gamma que constituiran el observatorio CTA (Cherenkov Telescope Array) en la implementacion de una nueva clase de estacion terrena receptora. Entre las principales ventajas que brindan estos telescopios se encuentran las mayores aperturas necesarias para superar las limitaciones de potencia que comparte la astronomia terrestre de rayos gamma y las comunicaciones opticas desde espacio profundo. Ademas, el elevado numero de grandes telescopios que se construiran para CTA hara posible reducir costes unitarios gracias a una produccion masiva. El segundo bloque de la tesis se enmarca en las comunicaciones cuanticas en espacio libre y en particular en la distribucion de clave cuantica (QKD), que se ha convertido en un nuevo paradigma en el campo de la seguridad de la informacion. Esta tecnica ofrece una forma teoricamente segura de comunicarse a traves de un canal inseguro gracias a que es posible detectar la presencia de un intruso. QKD ha demostrado ser una forma fiable de transmitir datos sensibles mediante fibra optica. Sin embargo, su alternativa no guiada tambien ofrece importantes ventajas, asi como nuevos retos. El mas importante es la necesidad de operar bajo una fuerte turbulencia atmosferica y altos niveles de ruido de fondo durante el dia. Para mitigar estos efectos normalmente se lleva a cabo un compromiso al disenar la optica del receptor, ya que un campo de vision estrecho mejora el rechazo al ruido de fondo, pero aumenta las perdidas relacionadas con las turbulencias y un campo de vision amplio produce el efecto opuesto. En este segundo bloque de la tesis se propone la utilizacion de un sistema de correccion de turbulencias para solucionar ambas limitaciones de forma simultanea, y se analizan y experimentan las distintas estrategias para llevar a cabo la implementacion e integracion con el sistema de QKD.
Las redes ópticas con capacidades del orden de los terabits por segundo permiten brindar múltiples servicios a los usuarios, por lo cual se han convertido en la columna vertebral de los sistemas de telecomunicaciones modernos y deben garantizar y preservar la confidencialidad, disponibilidad e integridad de los datos, es decir, la seguridad, ya que soportan un gran flujo de información, en su mayoría de carácter personal y privado. En lo referente a la confidencialidad se ha encontrado que gran parte de los esquemas convencionales de cifrado pueden ser bastante vulnerables ante los avances en computación cuántica, en consecuencia se da la aparición de nuevos métodos y esquemas basados en las potencialidades del mundo cuántico. Con base al nuevo enfoque en la seguridad de los sistemas, este trabajo de investigación considera la descripción de un sistema de distribución de clave cuántica basado en la codificación en dos bases mutuamente imparciales utilizando la coherencia temporal de una fuente de luz, introduciendo un retardo óptico mayor que el tiempo de coherencia de la fuente, entre los trenes de ondas emitidos y los modos de momento angular orbital descritos por el término de fase , de modo que se logra una mayor capacidad de bits por fotón frente a esquemas convencionales y se obtiene una mayor resistencia contra los ataques por interceptación de canal por parte del sistema como se evidencia en los resultados obtenidos en simulación mediante el método de Montecarlo. Adicionalmente, se presentan los resultados experimentales asociados a algunos de los principales componentes del sistema de comunicación propuesto como punto de partida para una futura implementación. * Trabajo de maestría. ** Facultad de ingeniería Físico-Mecánicas. Escuela de Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones. Maestría en Ingeniería de Telecomunicaciones. Director: Ernesto Aguilera Bermúdez, Ph.D. en Ingeniería. Co-director: Yezid Torres Moreno, Dr. Óptica y procesamiento de
En un principio, la Teoría de la Información fue concebida en forma abstracta, en base a una formulación matemática. Sin embargo, la habilidad y eficiencia para procesar o transmitir información dependerá en última instancia del sistema físico elegido para codificar esa información. Es así que, al codificar la información en las propiedades físicas de sistemas cuyo comportamiento se describe por las leyes de la mecánica cuántica, se abren nuevas posibilidades que son irrealizables clásicamente. Entre ellas, la posibilidad de generar algoritmos cuánticos para ciertos cálculos que requieren un número de pasos significativamente menor que cualquier algoritmo clásico, reduciendo su complejidad. Entre las características fundamentales de la mecánica cuántica que posibilitan estos desarrollos, sobresalen el principio de superposición y el entrelazamiento cuántico. Una de las implementaciones más accesibles para la comunicación cuántica y el procesamiento cuántico de la información emplea fotones individuales como portadores de la información. Estos pueden viajar entre dos estaciones distantes siendo poco afectados por el ruido que introduce el entorno. Además, poseen varios grados de libertad en los cuales es posible codificar la información y pueden manipularse con un alto grado de control utilizando tecnología estándar. En este trabajo se describen algunas aplicaciones de la implementación fotónica, realizadas en colaboración con el Laboratorio de Procesado de Imágenes (LPI) del Depto. de Física de la UBA. En primer lugar, se describe la determinación experimental de medidas de correlaciones cuánticas en estados no puros de un par de fotones correlacionados en polarización, mediante técnicas de tomografía de estados cuánticos. Luego se describe la utilización de moduladores espaciales de luz programables para entrelazar la polarización con grados de libertad espaciales, y así poder simular los denominados estados historia de evoluciones temporales cuánticas. Se muestra que este último proveeun esquema eficientepara el cálculo de promedios temporales de observables del sistema.
Introducción: Las comunicaciones cuánticas representan un avance revolucionario en telecomunicaciones seguras, fundamentándose en principios de mecánica cuántica como superposición, entrelazamiento y el teorema de no-clonación para garantizar seguridad teóricamente inviolable. Objetivo: La fibra óptica emerge como medio de transmisión privilegiado debido a sus características excepcionales de baja atenuación, compatibilidad con infraestructura global existente y capacidad de preservar estados cuánticos delicados a distancias considerables. Este artículo desarrolla una revisión teórica integral de los fundamentos, componentes y arquitecturas que conforman la capa física de las comunicaciones cuánticas mediante fibra óptica. Metodología: La metodología empleada corresponde a una investigación de nivel descriptivo con enfoque analítico-sintético, implementada mediante revisión bibliográfica no sistemática de literatura científica especializada publicada principalmente durante el periodo reciente, priorizando fuentes de alta calidad en bases de datos reconocidas. Resultados: Los resultados caracterizan exhaustivamente fuentes cuánticas de variable discreta y continua, fibras ópticas especializadas multinúcleo y multimodo, detectores de fotón único basados en tecnologías superconductoras y semiconductoras, protocolos fundamentales de distribución cuántica de claves incluyendo sistemas adaptativos con inteligencia artificial, técnicas de modulación y codificación de alta dimensionalidad, y arquitecturas de redes cuánticas operativas metropolitanas y satelitales. Conclusión: Se concluye que los componentes tecnológicos esenciales han alcanzado niveles de madurez suficientes para implementaciones prácticas, evidenciado por demostraciones exitosas de coexistencia cuántico-clásica en fibra y redes operativas multiusuario. No obstante, persisten desafíos críticos en escalabilidad, desarrollo de repetidores funcionales, sincronización ultraestable de nodos distribuidos y transición hacia arquitecturas híbridas fibra-satélite necesarias para materializar el Internet cuántico global. Área de estudio general: Comunicaciones. Área de estudio específica: Comunicaciones Cuánticas.
En esta Tesis se presentan los resultados de implementaciones ópticas de algoritmoscuánticos, orientadas a protocolos de comunicación y procesamiento cuántico de la información. En particular, se estudiaron algoritmos cuánticos basados en entrelazamiento y se analizó la interacción del sistema cuántico en cuestión con distintos entornos ruidosos. Estas investigaciones se realizaron en forma mixta, tanto experimental como teórica, contemplando etapas de interacción del sistema con entornos controlados. Se realizaron experimentos de teleportación cuántica y distribución cuántica de claves (QKD), con el propósito de ganar experiencia en la manipulación y control de sistemas cuánticos. A partir de estos experimentos, se demostraron algoritmos eficientes y robustos ante entornos ruidosos que generan decoherencia en el recurso entrelazado. Para llevar a cabo estos experimentos, se desarrolló una fuente de pares de fotones entrelazados en polarización, basada en el proceso de conversión paramétrica descendente. La utilización de fotones como recurso físico permite la codificación de qubits en diversos grados de libertad de los mismos. En los experimentos realizados en esta Tesis, a partir de un único fotón se codificaron dos qubits en los grados de libertad de polarización y momento lineal del mismo. Para representar la interacción del sistema con un entorno local, se utilizaron los dos grados de libertad de polarización y camino para representar el sistema y el entorno, respectivamente. Estas interacciones se producen en arreglos experimentalesbasados en óptica lineal. Los arreglos experimentales diseñados e implementados permitieron un estudio versátil de los distintos protocolos propuestos, y un control sistemático de los entornos. Se estudiaron las condiciones para las cuales la dinámica del sistema era robusta frente al ruido y la acción del mismo sobre el desempeño de estos protocolos. En particular se realizó un estudio de la eficiencia del protocolo de teleportación bajo distintos tipos e intensidades de interacción con un entorno, pudiendo obtener condiciones para las cuales el sistema presenta baja sensibilidad a ciertos tipos de ruido. Asimismo, para el caso de distribución cuántica de claves, la interacción del sistema con el entorno nos permitiómodelar la acción de un espía y estudiar la seguridad de protocolos de QKD. La evolución de los sistemas cuánticos inducida por la interacción con entornos locales genera decoherecia, afectando el grado de entrelazamiento inicial y su utilización como recurso cuántico. Se estudiaron entonces distintas condiciones de ruido cuántico y su efecto sobre el entrelazamiento de un sistema, obteniendo una relación entre la "muerte del entrelazamiento" y canales efectivos capaces de romper completamente el entrelazamiento, para sistemas de dos qubits. Estos resultados permitieron anticipar qué estados pueden sufrir muerte del entrelazamiento o no para una dada evolución. Conocer de antemano el estado inicial y/o el canal cuántico que afecta el recurso entrelazado permite elegir demanera óptima los parámetros necesarios para un procesamiento cuántico eficiente de la información. La base de todos los experimentos realizados es una fuente de pares de fotones entrelazados y un arreglo óptico confiable y versátil basado en óptica lineal. El control sobre los estados fotónicos generados se realiza interferométricamente y en polarización. El dominio de estas técnicas de control de estados cuánticos es un resultado en sí mismo y el arreglo experimental desarrollado se presenta como una plataforma robusta para el estudio de la dinámica de procesos cuánticos. A modo de síntesis, entendemos que en el desarrollo de esta Tesis de Doctorado secumplieron los dos objetivos propuestos: por un lado estudiar la influencia de procesos de decoherencia e interacción con entornos en la eficiencia de algoritmos de información cuántica y por otro desarrollar herramientas ópticas para el estudio e implementación eficiente de estos algoritmos.