Nesta dissertação é estudado um sistema de distribuição de chave quântica com variáveis continuas (CV-QKD) com oscilador local gerado localmente (LLO), utilizando modulação discreta e sem alteração aleatória da base de medição. Num sistema LLO não é necessário o envio de impulsos de alta intensidade multiplexados em polarização com os impulsos de sinal de baixa intensidade. Esta técnica simplícia o sistema experimental e resolve alguns problemas de segurança associados ao sistema de oscilador local co propagante. Para a compensação da diferença de fase entre os lasers de sinal e oscilador local foram enviados impulsos de referência, contendo informação da fase instantânea do laser de sinal, multiplexados no tempo com os impulsos de sinal modulados na fase. Neste trabalho foram desenvolvidos vários blocos numéricos capazes de testar a performance de um sistema de CV-QKD com recurso a uma plataforma de simulação em desenvolvimento no IT-Aveiro. São apresentados resultados referentes à caracterização do ruído de um detetor homodino, nomeadamente o ruído térmico e \shot noise". Mais ainda, utilizando a plataforma De simulação verificamos que a taxa de chave secreta expectável decresce rapidamente com a distancia. Em ambos os casos, os resultados da simulação seguem de perto os resultados teóricos expectáveis. Foi implementado no laboratório um sistema LLO-CV-QKD e a sua performance foi avaliada. Resultados de um sistema com laser único e laser duplo são apresentados. Este sistema utilizava impulsos de sinal com um número médio de fotões por símbolo igual a 1. O esquema de compensação de fase foi desenvolvido e descrito nesta tese. Resultados referentes _a caracterização de ruído do sistema de deteção utilizado são apresentados neste documento, verificando-se que a região linear compreende-se entre 2x10 6 ≤ (n) ≤ 4x10 6 fotões/impulso. O ritmo de geração de chave secreta contra ataques individuais e coletivos do sistema experimental de CV-QKD foi avaliado. Ritmos positivos foram observados contra ataques individuais no sistema de laser único, tanto para um sistema de ligação direta como para um sistema com um canal quântico de 10 km de fibra ótica, tendo valores de Kind = 0:14 bits/símbolo e Kind = 0:014 bits/símbolo, respetivamente. Para o sistema de laser duplo nenhum ritmo de geração de chave secreta positivo foi observado, verificou-se que isto se deveu ao excesso de ruído introduzido pelos componentes óticos deste último esquema.
Nesta dissertação é estudado um sistema de distribuição de chave quântica com variáveis continuas (CV-QKD) com oscilador local gerado localmente (LLO), utilizando modulação discreta e sem alteração aleatória da base de medição. Num sistema LLO não é necessário o envio de impulsos de alta intensidade multiplexados em polarização com os impulsos de sinal de baixa intensidade. Esta técnica simplícia o sistema experimental e resolve alguns problemas de segurança associados ao sistema de oscilador local co propagante. Para a compensação da diferença de fase entre os lasers de sinal e oscilador local foram enviados impulsos de referência, contendo informação da fase instantânea do laser de sinal, multiplexados no tempo com os impulsos de sinal modulados na fase. Neste trabalho foram desenvolvidos vários blocos numéricos capazes de testar a performance de um sistema de CV-QKD com recurso a uma plataforma de simulação em desenvolvimento no IT-Aveiro. São apresentados resultados referentes à caracterização do ruído de um detetor homodino, nomeadamente o ruído térmico e \shot noise". Mais ainda, utilizando a plataforma De simulação verificamos que a taxa de chave secreta expectável decresce rapidamente com a distancia. Em ambos os casos, os resultados da simulação seguem de perto os resultados teóricos expectáveis. Foi implementado no laboratório um sistema LLO-CV-QKD e a sua performance foi avaliada. Resultados de um sistema com laser único e laser duplo são apresentados. Este sistema utilizava impulsos de sinal com um número médio de fotões por símbolo igual a 1. O esquema de compensação de fase foi desenvolvido e descrito nesta tese. Resultados referentes _a caracterização de ruído do sistema de deteção utilizado são apresentados neste documento, verificando-se que a região linear compreende-se entre 2x10 6 ≤ (n) ≤ 4x10 6 fotões/impulso. O ritmo de geração de chave secreta contra ataques individuais e coletivos do sistema experimental de CV-QKD foi avaliado. Ritmos positivos foram observados contra ataques individuais no sistema de laser único, tanto para um sistema de ligação direta como para um sistema com um canal quântico de 10 km de fibra ótica, tendo valores de Kind = 0:14 bits/símbolo e Kind = 0:014 bits/símbolo, respetivamente. Para o sistema de laser duplo nenhum ritmo de geração de chave secreta positivo foi observado, verificou-se que isto se deveu ao excesso de ruído introduzido pelos componentes óticos deste último esquema.
São cada vez mais necessários desenvolvimentos em métodos de encriptação que permitam comunicação perfeitamente segura sobre a ameaça de qualquer entidade externa. Essa necessidade surge relacionada com a continua informatização dos dados de qualquer indivíduo.O desenvolvimento de um sistema de encriptação teoricamente infalível está limitado pelo problema de distribuição de chaves, que é passível de intrusão. Certas propriedades quânticas oferecem uma solução possível para a criação de um sistema robusto de distribuição de chaves para encriptação. Exploração de propriedades quânticas, como o principio da incerteza de Heisenberg ou o teorema da não clonagem, permitem a deteção de intrusão durante a distribuição de chaves, pelo efeito que têm no aumento de uma taxa de erro. No entanto, o sistema fica mais sensível e vulnerável a erros em comparação a outros sistemas de encriptação comummente utilizados. Este aumento em dificuldade leva a que o hardware necessário seja mais complexo. O aumento da complexidade do hardware, no entanto, não compensa, atualmente, as perdas em distância e frequência de encriptação. Devido a tal muito trabalho ainda tem de ser feito em otimização e compensação de erros.Esta dissertação foca-se na apresentação de um método de otimização de um transmissor num sistema distribuição de chaves de encriptação quânticas. Os bits quânticos nesta aplicação são codificados utilizando o estado de polarização de fotões. Este método de codificação é geralmente referido de, Distribuição de Chaves Quânticas com Variáveis Discretas (DV-QKD). O transmissor utiliza um Controlador de Polarização Elétrico (EPC) que modifica a estado de polarização da luz consoante a tensão elétrica aplicada aos vários estágios que o constituem. Nesta dissertação procuramos otimizar a escolha de tensões a aplicar ao controlador de polarização elétrico. O objetivo é obter os seis estados de polarização necessários à saída do EPC no menor intervalo de tensões possível. O processo de criação da função custo, escolha e aplicação de um algoritmo de machine learning é discutido detalhadamente. Embora não sabendo todas as caraterísticas do EPC, relacionadas com a calibração, resultados que validam os dados obtidos numericamente pelo algoritmo são demonstrados. A aplicação do algoritmo, Otimização de Enxame de Partículas (PSO), como método de otimização da geração dos estados de polarização, foi relizada com sucesso. Resultados obtidos provam que transições entre os seis estados de polarização, usados em sistemas distribuição de chaves quânticas, são possiveis num intervalo de tensão inferior a 10 V em cada pino de controlo de um estágio do EPC, um valor pequeno quando comparado à gama de total de 140 V do EPC utilizado.A hipótese de utilizar outra versão deste algoritmo como método de compensação a desvios, em relação ao estado de polarização esperado, é também discutido.
Os protocolos de distribuição quântica de chave secreta (QKD) possibilitam que duas partes geograőcamente distantes possam compartilhar e gerar sequências aleatórias e incondicionalmente seguras, uma tarefa para a qual não há contrapartida clássica e é possível pelas leis da mecânica quântica. Nas últimas décadas, tem sido de interesse o desenvolvimento e estudo dos protocolos deőnidos pela modulação não gaussiana (discreta) de estados coerentes (DM-CVQKD), os quais são compatíveis com dispositivos e arquiteturas usuais de comunicações ópticas, permitindo o compartilhamento de chaves em redes ópticas existentes. Nesta tese de doutorado, foram analisados os efeitos resultantes do uso de esquemas ótimos de modulação discreta no desempenho e segurança de protocolos DM-CVQKD. O primeiro resultado mostrado é que, sob a hipótese de ataques coletivos gaussianos, os esquemas de modulação que atingem a capacidade do canal gaussiano nas comunicações clássicas apresentam um comportamento análogo quando aplicados em protocolos DM-CVQKD. Em particular, foi identiőcada a necessidade de formatação probabilística para que um esquema de modulação discreta tenha desempenho próximo ao da modulação gaussiana, assim como a distribuição não uniforme de pontos no plano complexo para constelações com mais de 232 pontos. Voltando a atenção para a compatibilidade entre os protocolos QKD e a arquitetura de formatação probabilística de constelação, a susceptibilidade de geração de símbolos correlacionados foi discutida e um protocolo de reconciliação foi apresentado. Também foram desenvolvidos resultados relacionando a convergência de variáveis aleatórias e a convergência dos operadores de densidade induzidos pelas variáveis aleatórias. Dessa maneira, foi mostrado que o operador densidade que representa uma constelação converge fracamente para o estado térmico se a sequência de variáveis aleatórias que representa a constelação converge em distribuição para a distribuição normal. Como consequência, a łnão gaussianidadež da constelação se aproxima de zero conforme a cardinalidade da constelação aumenta, assim como a diferença entre as taxas de chave do protocolo com modulação não gaussiana e seu equivalente gaussiano, sendo uma garantia de que o limitante inferior da taxa de chave secreta usualmente utilizado nas provas de segurança é justo se a constelação for grande o bastante. Por őm, foram apresentadas três proposições sobre a convergência (na norma do traço) das constelações de estados coerentes: um limitante para o erro de aproximação através da redução da dimensão do espaço de Hilbert (teste de energia), sobre a convergência do espectro de autovalores e autovetores, e a convergência da puriőcação da constelação de estados coerentes.
Nesta tese, inicialmente apresentamos um experimento para a geração de estados emaranhados de sistemas quânticos D-dimensionais, qudits, explorando a correlação transversal dos fótons gerados no processo da conversão paramétrica. Aberturas com D-fendas, colocadas ao longo dos braços dos fótons gêmeos, definem o espaço de Hilbert destes qudits. Devido a uma manipulação adequada do perfil transversal do feixe do laser, os fótons gêmeos irão passar somente através de fendas simetricamente opostas, gerando estados emaranhados entre os diferentes caminhos possíveis para a transmissão do par através destas aberturas. Resultados experimentais para qudits com D = 4 e 8 são mostrados. Nós demonstramos também que a correlação entre os qudits gerados é quântica. Em seguida, mostramos que estes estados de qudits podem ser propagados. Sua distribuição ao longo do espaço livre foi realizada em nosso laboratório e os estados propagados mantiveram uma fidelidade muito alta quando comparados com a sua forma original. Estudos sobre a propagação de estados de qudits são importantes porque seu uso permite um aumento na quantidade da informação que pode ser transmitida por par compartilhado e pode também garantir mais privacidade para as partes que se comunicam. No terceiro trabalho descrito nesta tese, demonstramos como uma pequena modificação do esquema adotado nos trabalhos anteriores, pode ser usada para se gerar estados mistos de qudits. Investigamos, também, a discriminação dos estado quânticos de sistemas compostos de dois qubits espaciais, motivados pelo fato de que os protocolos de Informação Quântica podem ser mais fáceis de serem implementados neste caso. Por meio de operações locais nos fótons gêmeos, realizamos o processo da tomografia quântica para reconstruir a matriz densidade de um estado misto de dois qubits espaciais. As matrizes densidade reconstruídas são úteis porque quantidades tais como a entropia e a concurrência de um sistema quântico, podem ser calculadas a partir delas. E em nosso último trabalho, depois de ter tido demonstrado a geração de estados puros e mistos de qudits espaciais, a sua propagação através do espaço livre e sua reconstrução através de técnica da tomografia quântica, mostramos que este tipo de estado espacial pode ser usado na prática, para se fazer um teste das desigualdades da Bell.
Desde a primeira vez que computação quântica foi concetualizada por Feynman, simulação quântica tem estado na vanguarda das possiveis aplicações de interesse. Os custos proibitivos de simular sistemas quânticos com computadores classicos são uma forte motivação para a investigação em computação quântica. Ao longo da última década, tem-se observado um progresso notável no desenvolvimento de hardware quantico. No entanto, os obstáculos entre nos e a era de vantagem quantica util mantem-se essencialmente os mesmos: A informação quântica e fragil, e protegê-la é um desafio. Visto que os dispositivos quânticos atuais são ruidosos e tem um número limitado de qubits, desenvolver algoritmos que possam ser executados neles e uma area de investigação importante. Por resultarem em circuitos de preparação de estado (ansatze) pouco profundos e treinaveis, algoritmos quânticos variacionais (VQAs) adaptativos são uma opção promissora. O primeiro algoritmo nesta classe, o ADAPT-VQE, pode ser utilizado para problemas de estrutura eletronica, otimização combinatoria, materia condensada, sistemas periódicos no tempo, entre outros. Nesta tese, são propostas varias melhorias para VQAs adaptativos, com o objetivo de diminuir os custos e aumentar a viabilidade a curto prazo. Propõe-se um otimizador quasi-Newton para VQAs adaptativos que reduz os custos de medição necessários para implementar estes algoritmos em hardware quântico, bem como o tempo necessario para os simular classicamente. Propõe-se ainda um novo conjunto de operadores — “operatores de intercambio acoplado” (CEOs) — que resulta no menor numero de portas quanticas e na menor profundidade de circuito entre todas as propostas na literatura. Combina-se varios desenvolvimentos-chave e mostra-se uma redução dramatica dos recursos computacionais quânticos necessários em comparação com as primeiras versões do algoritmo ou com ansätze estáticos para VQE. Adicionalmente, propõe-se uma versão codesenhada do ADAPT-VQE (Co-ADAPT-VQE) onde o hardware quântico e tido em consideração na construção do ansatz. Este paradigma pode ser utilizado para otimizar circuitos de preparação de estado em qualquer dispositivo, colmatando limitações como conetividade limitada, tempos de coerencia curtos, e erros nas portas quanticas. Finalmente, propomos estrategia para mitigar “vales de gradientes”, um problema de convergência especifico ao ADAPT-VQE.
Neste trabalho estudamos, experimental e teoricamente, as flutuações de campos eletromagnéticos após a interação com sistemas atómicos em configuração de dois níveis com degenerescências. Estes sistemas atómicos eram preparados em superposições coerentes de seus estados obtidas através dos fenômenos de Transparência e Absorção Eletromagneticamente Induzidas. O sistema físico foi considerado em dois modelos teóricos semiclássicos distintos: resposta atómica linear e difusão de fase. Estes modelos se baseiam no fato de que lasers de díodo possuem excesso de ruído na fase, que durante o processo de interação coerente com o sistema atómico é transferido ressonantemente para o ruído de intensidade. Em nossa análise, observamos resultados não triviais em relação aos sinais de ruído e correlação entre os campos medidos. Verificamos que, num vapor atómico, a largura Doppler associada à transição tem um papel fundamental na composição elo sinal ele ruído. Observamos que mesmo transições que, a priori, estariam não ressonante podem ter contribuição significativa para o sinal ele ruído. Os modelos teóricos desenvolvidos apresentaram um bom acordo qualitativo com parte dos dados experimentais e se mostraram uma ferramenta útil para a análise da influência dos efeitos coerentes nas flutuações elos campos, quando o laser possui excesso de ruído ele fase.
As comunicações quânticas aplicam as leis fundamentais da física quântica para codificar, transmitir, guardar e processar informação. A mais importante e bem-sucedida aplicação é a distribuição de chaves quânticas (QKD). Os sistemas de QKD são suportados por tecnologias capazes de processar fotões únicos. Nesta tese analisamos a geração, transmissão e deteção de fotões únicos e entrelaçados em fibras óticas. É proposta uma fonte de fotões única baseada no processo clássico de mistura de quatro ondas (FWM) em fibras óticas num regime de baixas potências. Implementamos essa fonte no laboratório, e desenvolvemos um modelo teórico capaz de descrever corretamente o processo de geração de fotões únicos. O modelo teórico considera o papel das nãolinearidades da fibra e os efeitos da polarização na geração de fotões através do processo de FWM. Analisamos a estatística da fonte de fotões baseada no processo clássico de FWM em fibras óticas. Derivamos um modelo teórico capaz de descrever a estatística dessa fonte de fotões. Mostramos que a estatística da fonte de fotões evolui de térmica num regime de baixas potências óticas, para Poissoniana num regime de potências óticas moderadas. Validamos experimentalmente o modelo teórico, através do uso de fotodetetores de avalanche, do método estimativo da máxima verossimilhança e do algoritmo de maximização de expectativa. Estudamos o processo espontâneo de FWM como uma fonte condicional de fotões únicos. Analisamos a estatística dessa fonte em termos da função condicional de coerência de segunda ordem, considerando o espalhamento de Raman na geração de pares de fotões, e a perda durante a propagação de fotões numa fibra ótica padrão. Identificamos regimes apropriados onde a fonte é quase ideal. Fontes de pares de fotões implementadas em fibras óticas fornecem uma solução prática ao problema de acoplamento que surge quando os pares de fotões são gerados fora da fibra. Exploramos a geração de pares de fotões através do processo espontâneo de FWM no interior de guias de onda com suceptibilidade elétrica de terceira ordem. Descrevemos a geração de pares de fotões em meios com elevado coeficiente de absorção, e identificamos regimes ótimos para o rácio contagens coincidentes/acidentais (CAR) e para a desigualdade de Clauser, Horne, Shimony, and Holt (CHSH), para o qual o compromisso entre perda do guia de onda e não-linearidades maximiza esses parâmetros.