A presente tese pode ser dividia em tres partes: I) Protocolos de comunicacao quântica Segura
Direta (QSDC). II) Deteccao homodina de fotons. III) Polarizacao quântica da luz. No que diz
respeito aos protocolos de QSDC, tres novos esquemas opticos foram propostos. Estes
protocolos utilizam a distribuicao espectral das fontes luminosas e o uso de moduladores de
fase dependentes da frequencia para aumentar a seguranca. No que concerne a deteccao de
fotons, foi realizado um experimento de deteccao homodina de fotons. Nesse experimento
mostrou-se que o sinal analogico transportado por um estado coerente fortemente atenuado
pode ser recuperado por um receptor optico baseado em um fotodiodo PIN. Por fim, na parte
de polarizacao quântica da luz foi proposta uma nova medida de grau de polarizacao baseada
na entropia de Shannon, bem como foi feito o calculo do grau de polarizacao de estados
continuos de um foton e coerentes. Foram tambem realizados dois experimentos para estimar
o grau de polarizacao atraves da medicao da visibilidade de polarizacao. Duas situacoes foram
consideradas: o uso de um canal despolarizante e o laser semicondutor trabalhando em
diferentes regimes de operacao.
A presente tese pode ser dividia em tres partes: I) Protocolos de comunicacao quântica Segura
Direta (QSDC). II) Deteccao homodina de fotons. III) Polarizacao quântica da luz. No que diz
respeito aos protocolos de QSDC, tres novos esquemas opticos foram propostos. Estes
protocolos utilizam a distribuicao espectral das fontes luminosas e o uso de moduladores de
fase dependentes da frequencia para aumentar a seguranca. No que concerne a deteccao de
fotons, foi realizado um experimento de deteccao homodina de fotons. Nesse experimento
mostrou-se que o sinal analogico transportado por um estado coerente fortemente atenuado
pode ser recuperado por um receptor optico baseado em um fotodiodo PIN. Por fim, na parte
de polarizacao quântica da luz foi proposta uma nova medida de grau de polarizacao baseada
na entropia de Shannon, bem como foi feito o calculo do grau de polarizacao de estados
continuos de um foton e coerentes. Foram tambem realizados dois experimentos para estimar
o grau de polarizacao atraves da medicao da visibilidade de polarizacao. Duas situacoes foram
consideradas: o uso de um canal despolarizante e o laser semicondutor trabalhando em
diferentes regimes de operacao.
A codificação de bits quânticos, os qbits, em graus de liberdade internos da luz como a polarização, os modos transversos e o caminho de propagação tem recebido muita atenção ultimamente. No entanto, o qbit codificado no grau de liberdade de caminho frequentemente desempenha um papel limitado nos circuitos ópticos. Neste trabalho, será apresentado um circuito óptico linear para codificar qbits no grau de liberdade de caminhos em diferentes bases. Também, apresentamos uma representação geométrica similar a da polarização, a esfera de Poincaré do caminho, bem como a representação de esfera de Bloch para o qbit de caminho. Apresentamos também, circuitos ópticos lineares para construir as principais portas lógicas quânticas, inclusive aquelas consideradas portas universais, para o qbit de caminho de propagação do fóton. Através da analogia clássico-quântica dos chamados modos spin-órbita da luz, implementamos os circuitos ópticos com feixes intensos e reproduzimos experimentalmente a tabela verdade das portas propostas. Com a porta C-NOT para o caminho e usando a polarização como qbit de controle, produzimos estados análogos aos estados de Bell, de forma que nossos resultados podem fornecer uma nova classe de modos não separáveis da luz, o que pode contribuir para o controle e manipulação do emaranhamento entre graus de liberdade fotônicos.
Compreende-se criptografia como a prática de princípios e técnicas que permitem uma comunicação segura, na presença de terceiros. Com o desenvolvimento dos computadores quânticos, a utilização de um algoritmo quântico muito eficiente (algoritmo de Shor) para atacar a atual criptografia assimétrica pode transformar-se numa realidade. Isso comprometeria a segurança dos sistemas atuais e futuras trocas de informações. Nesta dissertação, é estudada uma implementação do protocolo quântico BB84, que utiliza variáveis discretas com codificação na polarização de fotões.Na primeira parte deste trabalho, foi estudado o recetor já implementado no laboratório do Instituto de Telecomunicações de Aveiro. De forma a otimizar o processo de recolha e processamento de informação, foi desenvolvida uma solução baseada no Arduino. Conforme foram realizados alguns testes, percebeu-se que seria necessário adicionar um novo Arduino e uma placa periférica para gerir quatro valores de tensão de um controlador de polarização. Foram ainda obtidos resultados testes do Quantum Bit Error Rate (QBER), onde se verifica a estabilidade do sistema.Por último, de forma a obter ritmos de operação elevados, estudou-se uma solução baseada em moduladores IQ (In-phase Quadrature. Para se conseguir gerar os seis estados de polarização nas três bases não ortogonais (base padrão, base diagonal e base circular) propusemos uma estrutura Dual-IQ. Nesta estrutura, o sinal ótico é dividido em duas partes iguais, cada uma passando por um modulador IQ. Aqui, uma diferença de fase é introduzida em cada um dos sinais, e com a ajuda de um rotador de polarização é possível gerar vários estados de polarização. Foram realizadas simulações de forma a demonstrar que esta estrutura é capaz de gerar os seis estados de polarização necessários.
Em 1993, Bennett et al. [1] postularam o processo de teletransporte de um estado quântico através do uso de dois canais de comunicação, um canal clássico e outro formado por um par de sistemas emaranhados. Na área de óptica quântica, várias realizações experimentais deste teletransporte foram relatadas [2, 3, 4], tanto no domínio de variáveis contínuas como discretas. Recentemente, foi medido emaranhamento no domínio de variáveis contínuas entre feixes de luz intensos de cores distintas [5, 6, 7]. Utilizando feixes com estas características como canal de comunicação quântico, apresentamos uma proposta para o primeiro teletransporte de informação quântica com troca de informação no domínio de variáveis contínuas entre campos de cores distintas. Resultados experimentais em direção à realização da proposta foram alcançados. Os moduladores eletro-ópticos, necessários na construção e reconstrução dos estados quânticos da luz, foram caracterizados. Quatro cavidades ópticas foram construídas, com requerido pelo protocolo para feixes de luz de cores distintas. Um oscilador paramétrico óptico (OPO) foi construído para a gerar os feixes correlacionados. No entanto, ele apresentou resultados insatisfatórios, atribuídos a um defeito no cristal não linear. Por isso, um OPO com novo cristal e novos espelhos foi projetado e se encontra em fase de construção. Por fim, um tratamento teórico adequado às particularidades da proposta experimental é apresentado.
Neste trabalho, introduzimos um protocolo para a distribuicao quântica de chaves (QKD) que faz uso de tres estados comprimidos da luz: dois estados de bit, utilizados para a transmissao de informacao, e um estado de Isca, utilizado para a deteccao de espionagem. Seu desenvolvimento teve como base o protocolo de P. Horak (H04) para estados comprimidos, que por sua vez consiste de uma generalizacao do protocolo de R. Namiki e T. Hirano (NH03) para estados coerentes. Analisamos sua seguranca considerando dois tipos de ataques: ataque por medida simultânea das quadraturas e ataque por troca do canal por canal superior. Para esta analise utilizamos uma descricao em termos da funcao de Wigner, obtendo a partir dela distribuicoes de probabilidade conjuntas e marginais. Da distribuicao para os estados de Isca definimos uma Medida da Espionagem M, e discutimos sua utilidade para o calculo da taxa de informacao vazada para Eva em cada ataque. Por fim, para o ataque por troca do canal, analisamos o efeito da introducao de um limiar de pos-selecao sobre as informacoes de Bob e Eva, demonstrando que maiores distâncias de transmissao (menores transmissividades) podem ser suportadas pelo protocolo com o aumento deste parâmetro, ao custo de menores taxas de aceitacao de bits
Abstract
Nas últimas décadas as comunicações sem fios tiveram um crescimento enorme. Hoje em dia, a maioria das tarefas diárias necessitam da utilização de um dispositivo que recorra a uma comunicação sem fios. Por isso, criou-se uma necessidade de aumentar a segurança nestas comunicações. Recentemente, as técnicas de segurança na camada física têm gerado interesse, pois, permitem complementar, através de uma abordagem diferente, os protocolos de segurança já existente em outras camadas lógicas. Nesta dissertação foi implementado, um método de segurança na camada física num sistema Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Este método utiliza as características do canal para codificar e descodificar a mensagem transmitida, tendo por base o princípio da reciprocidade do canal que permite obter uma fonte de informação aleatória comum entre transmissor e recetor legítimo. As estimações de canal feitas são utilizadas para criar sinais de interferência que irão mudar a fase dos símbolos modulados e, consequentemente, proteger a mensagem transmitida. O sistema OFDM com o método de segurança foi desenvolvido utilizando a framework GNU Radio. Além disso, cada módulo constituinte do sistema pode ser utilizado com plataformas de rádio definido por software (SDR) para testes em ambiente real. Os testes realizados foram feitos considerando um cenário baseado no canal wiretap onde existem dois utilizadores legítimos (Alice e Bob) e um ilegítimo (Eve); no modelo original a Alice envia uma mensagem para o Bob enquanto a Eve tenta intercetá-la, além disso é assumido que as condições de transmissão do Bob são mais vantajosas do que as da Eve. As simulações realizadas consideraram diferentes condições de canal de forma a determinar os efeitos no desempenho do sistema. Além disso, foi realizada uma experiência em condições reais com SDR para validar a implementação. Os resultados obtidos, constituem evidência que o método usado pode aumentar a segurança mesmo quando o canal ilegítimo tem boas condições, embora, alguma fiabilidade seja comprometida. Isto pode ser importante nas futuras redes de dispositivos de baixa complexidade, como na Internet das coisas, onde é difícil a implementação de técnicas complexas de encriptação, e como os métodos de segurança na camada física podem ter um papel importante.
A criptografia quântica é o futuro da segurança da comunicação, o primeiro protocolo que usa as teorias quânticas é o BB84 que pode ser aplicado usando a polarização da luz ou a fase. No caso da fase essa comunicação pode ser feita usando o Interferômetro de Mach-Zehnder quântico para fazer superposição de fótons e oferecer segurança na comunicação devido à incerteza na fase dos fótons detectados. O estado de número, que é o estado dos fótons individuais, é o caso ideal para a comunicação, onde a fase é indefinida e com máxima incerteza. Por outro lado, o estado coerente é o mais usual e consegue ter uma incerteza satisfatória na fase, porem não é um estado para uma comunicação segura, pois se trata de um estado considerado clássico da luz. O estado binomial é um estado interpolador entre o estado coerente e o estado de número, essa interpolação é alcançado através dos limites adequado os parâmetros que os define. Com isso é possível ter um estado não clássico que permite ter maior incerteza na fase e com resultados mais satisfatórios do que o encontrado para o coerente.