O obxectivo global desta tese é contribuir ao deseño de novos sistemas de \ncriptografía cuántica e ao desenvolvemento de dispositivos fotónicos discretos e integrados que implementen \noperacións específicas para implementalos usando multiplexación espacial. Deste xeito, na tese propoñense novos \nmetodos de encriptación cuántica autocompensada, que fan uso dos modos espaciais propagados por diversas \nfibras ópticas (fibras de poucos modos e multinúcleo) para conseguir transmitir información en alta dimensión, \ncorrexindo tódalas fluctuacións que estes sofren ao longo da transmisión pola fibra. Ao mesmo tempo, deseñanse \nos distintos dispositivos fotónicos necesarios para implementar ditos métodos, baseados tanto en elementos \nópticos discretos como en dispositivos integrados. En particular, na tese presentanse novos dispositivos para xerar \nestados cuánticos útiles en criptografía (baseados en estados vórtice), así como proxectores cuánticos capaces de \nmedir ditos estados. Ademáis, na tese demóstrase a viabilidade de fabricar ditos dispositivos de xeito integrado por \nmedio de intercambio iónico en vidrio.
O obxectivo global desta tese é contribuir ao deseño de novos sistemas de \ncriptografía cuántica e ao desenvolvemento de dispositivos fotónicos discretos e integrados que implementen \noperacións específicas para implementalos usando multiplexación espacial. Deste xeito, na tese propoñense novos \nmetodos de encriptación cuántica autocompensada, que fan uso dos modos espaciais propagados por diversas \nfibras ópticas (fibras de poucos modos e multinúcleo) para conseguir transmitir información en alta dimensión, \ncorrexindo tódalas fluctuacións que estes sofren ao longo da transmisión pola fibra. Ao mesmo tempo, deseñanse \nos distintos dispositivos fotónicos necesarios para implementar ditos métodos, baseados tanto en elementos \nópticos discretos como en dispositivos integrados. En particular, na tese presentanse novos dispositivos para xerar \nestados cuánticos útiles en criptografía (baseados en estados vórtice), así como proxectores cuánticos capaces de \nmedir ditos estados. Ademáis, na tese demóstrase a viabilidade de fabricar ditos dispositivos de xeito integrado por \nmedio de intercambio iónico en vidrio.
Esta tesis aborda el estudio y desarrollo de dispositivos ópticos integrados para la generación de fotones mediante procesos no lineales de tercer orden, con aplicaciones en el campo de la fotónica cuántica. En la actualidad, el estudio de fuentes de fotones individuales integradas ha cobrado gran relevancia debido a sus ventajas inherentes, tales como la miniaturización y la compatibilidad con las tecnologías de microfabricación derivadas de la microelectrónica. Además, el uso de materiales con propiedades no lineales, como el silicio, el nitruro de silicio y el niobato de litio, ha impulsado nuevas oportunidades en el diseño y fabricación de dispositivos fotónicos. El trabajo se divide en dos ejes principales. Por un lado, el diseño, fabricación y caracterización de dispositivos propios, eje desarrollado en el grupo de Fotónica Integrada del Centro de Investigaciones Ópticas, con la fabricación de dispositivos en el foundry CORNERSTONE. Y por otro, la caracterización de dispositivos complejos en colaboración con el Quantum Photonics Laboratory de la Universidad de Pavia, Italia. Inicialmente, se exploraron las herramientas de simulación disponibles para el diseño de dispositivos fotónicos integrados y se realizó una revisión exhaustiva del estado del arte sobre generación de fotones en plataformas fotónicas. A partir de estos estudios, se diseñaron circuitos fotónicos basados en anillos resonadores y acopladores interferométricos resonantes, optimizados para la generación de pares de fotones mediante el proceso de mezclado de cuatro ondas espontáneo (SFWM). Los dispositivos fueron fabricados utilizando tecnologías de silicio sobre aislante y nitruro de silicio, con distintas estrategias de acople y configuraciones de guías de onda. Posteriormente, se llevaron a cabo caracterizaciones experimentales tanto lineales como no lineales para evaluar la eficiencia y pureza espectral de las fuentes de fotones. Entre los resultados obtenidos, se destaca la optimización de parámetros clave, como el factor de calidad de los resonadores y la tasa de coincidencia de pares de fotones, fundamentales para aplicaciones en información cuántica.
La criptografía surge para atender las necesidades de la sociedad de contar con una forma fiable de proteger la información en diferentes áreas, pero la criptografía clásica se revela progresivamente más insegura ante la evolución tecnológica de nuestra capacidad computacional. La criptografía cuántica, por el contrario, está basada en los principios de la mecánica cuántica y es capaz de proporcionar seguridad incondicional en las comunicaciones, independientemente de la capacidad tecnológica de un posible atacante. Dentro del campo de las telecomunicaciones, la mayor parte de los esfuerzos experimentales realizados en los últimos años con vistas a una realización comercial de la criptografía cuántica se han volcado en las redes de fibra óptica, donde además la luz es el sistema cuántico más fácilmente manipulable para implementar las técnicas criptográficas cuánticas. El primer sistema de criptografía cuántica, el denominado BB84, fue propuesto hace treinta años, y su principal inconveniente era que sólo podían garantizar seguridad a distancias de transmisión relativamente cortas (en torno a 25-30 Km). Para mejorar estas prestaciones, en los últimos años se han propuesto diversas variaciones, como los basados en el uso de "decoy states", en el que el transmisor emite pulsos luminosos de diversas intensidades que elige de manera aleatoria. Esta técnica permite estimar mejor el comportamiento del canal y posibilita transmitir claves criptográficas secretas a distancias cercanas a los 200 Km, aunque los grandes bloques de datos que debía procesar limitaban su máxima velocidad de reloj posible. Posteriormente, los protocolos de ¿fase distribuida¿ podían superar las limitaciones antes mencionadas, aunque su seguridad incondicional únicamente ha sido probada a medias distancias (inferiores a los 100 Km). El objetivo de esta tesis es precisamente estudiar la seguridad de estas técnicas y obtener cotas superiores para su distancia máxima de transmisión. Para ello, se evalúa en detalle la seguridad del protocolo COW ("coherent one-way"), que es empleado por la mayoría de los dispositivos de criptografía cuántica comerciales, mediante el estudio de ataques secuenciales contra este protocolo. Este tipo de ataques mantiene la coherencia en los bloques de pulsos luminosos reenviados, impiden establecer correlaciones cuánticas entre los usuarios legítimos del sistema y, por tanto, no permiten la distribución de claves criptográficas secretas entre ellos. Esta metodología permite demostrar, por primera vez, que gran parte de las implementaciones experimentales recientes del COW a largas distancias son inseguras. Los resultados de esta tesis también ponen en seria duda la viabilidad de estos protocolos para lograr distancias de transmisión similares a las obtenidas, por ejemplo, con el sistema basado en "decoy states".
En este trabajo se presenta una breve descripcion de los principales resultados del trabajo de investigacion desarrollado por nuestro grupo en optica integrada cuantica. La principales lineas de investigacion del grupo siempre han estado en la optica integrada y en los ultimos anos se han desarrollado ademas varios estudios cuanticos teoricos y aplicados de dispositivos opticos integrados lineales y no lineales. Estos estudios han tenido como principal objetivo el analisis teorico riguroso tanto de la propagacion como de la caracterizacion de estados de luz cuantica en dispositivos de guia de onda mediante el operador Momento y las ecuaciones espaciales de Heisenberg, y tambien mediante propagadores opto-cuanticos calculados con el formalismo de Feynman sobre el espacio multimodo de campo optico. En este espacio las distribuciones de probabilidad estan bien definidas y ademas pueden medirse mediante tecnicas de deteccion homodina y/o heterodina multimodo. Asimismo se indican algunas lineas de investigacion futura tanto teorica como experimental sobre optica integrada cuantica.
En esta tesis se presentan los resultados de una serie de experimentos opticos en los que se ejecutan algoritmos de comunicaciones cuanticas para realizar Distribucion Cuantica de Claves(DCC) criptograficas con estados coherentes de muy baja intensidad. Especificamente, se estudia la implementacion de esquemas practicos y robustos de DCC, con especial interes en sistemas basados en fibra optica. A diferencia de las comunicaciones por aire, este medio permite transmitir estados cuanticos con bajisimas atenuaciones y minimas perturbaciones externas, utilizando instrumental comercialmente disponible y de bajo costo, incluso para distancias de decenas de kilometros. Los protocolos de DCC estudiados codifican informacion clasica (bits) en estados cuanticos preparados sobre distintos grados de libertad discretos de sistemas fisicos. En el trabajo se exploran implementaciones que explotan la polarizacion y los modos temporales discretos de luz (time-bin). En ambos casos, fue necesario desarrollar y familiarizarse con tecnologias especificas para la preparacion, transmision y deteccion de dichos estados cuanticos. El problema de transmitir estados cuanticos en fibra de forma eficiente y robusta se ataco con dos estrategias. Por un lado, utilizando el grado de libertad de polarizacion y, por otro, modos temporales discretos de luz. En el primer caso, se codificaron los estados en el grado de libertad de polarizacion, que es facilmente accesible. Sin embargo, este es muy sensible a perturbaciones, por lo que para asegurar la robustez se incorporo un sistema de estabilizacion activa del Estado de Polarizacion(SOP, por su sigla en ingles). Con este esquema se implementaron dos variantes de un protocolo clasico de DCC, llamado BB84, utilizando la polarizacion de pulsos de luz para codificar los estados cuanticos. Esto requirio el desarrollo de una fuente de pulsos tenues de luz basada en un laser DFB en el rango de las telecomunicaciones, con un modulador de intensidad externo por electroabsorcion. Se diseno un sistema de estabilizacion de la polarizacion robusto que permite compensar de forma automatica las perturbaciones que genera la birrefringencia de la fibra sobre el estado de polarizacion. El sistema esta basado en controladores de polarizacion comerciales y electronica de control disenada especificamente, y puede ser adaptado facilmente a cualquier protocolo de comunicacion por fibra. En este sentido, se realizo una implementacion del protocolo BB84 y una variante llamada BB84E, que requiere la utilizacion de los seis estados de un conjunto completo de bases mutuamente no sesgadas para la polarizacion. En el segundo caso, se ensayo una codificacion mas sofisticada y resistente a perturbaciones, que implico enfrentar una serie de desafios tecnologicos, pero que se presenta como una alternativa practica y escalable en distancia de transmision y velocidad. Se propuso un esquema hibrido de DCC basado en un protocolo de referencia de fase distribuida con comunicacion bidireccional (Plug & Play), ambas tecnologias desarrolladas para trabajar especificamente en fibra optica, en un esquema con economia de recursos y distribucion tipo servidor-cliente. Asi, se obtuvo una configuracion en donde tanto el instrumental como las operaciones sobre los estados mas sensibles del protocolo se encuentran concentradas en una de las partes (servidor), mientras que los requerimientos sobre la otra parte involucrada en la comunicacion son minimos. Esta alternativa combina diferentes caracteristicas deseables en una implementacion practica de DCC, como la simplicidad y la robustez. El esquema propuesto codifica estados cuanticos en modos temporales discretos de luz. Esto requirio el desarrollo de dispositivos especificos para preparar y medir estos estados, basados en interferometros de fibra optica que no demanden estabilizacion activa. Otra de las premisas fue la independencia de funcionamiento del estado de polarizacion, que se logra a partir de la incorporacion de rotadores de Faraday en diferentes partes del esquema empleado. Por ultimo, debido al tipo de codificacion y al sistema de sincronizacion utilizados, este esquema es adaptable a tasas de transmision en el rango de los MHz. De los experimentos de DCC mencionados se desprenden una serie de desarrollos y pruebas de laboratorio adicionales, que son relevantes por si mismos. Entre ellos figuran la estabilizacion activa de interferometros de Mach-Zehnder en fibra y el estudio de esquemas experimentales alternativos para el protocolo hibrido de DCC propuesto. Tambien se puede destacar la puesta a punto de un prototipo autonomo de DCC en aire y su adaptacion para obtener un protocolo que distingue mezclas computables (pseudoaleatorias) de estados cuanticos. Este es un tema de interes para el procesamiento cuantico de la informacion en general. Las tecnicas abordadas y el know-how adquirido permiten entender y superar distintos problemas particulares de la utilizacion de estados cuanticos en comunicaciones por fibra optica. Ademas, estos desarrollos tienen la capacidad de ser empleados tanto en ensayos de DCC que excedan el ambito del laboratorio, como en un contexto mas amplio que permita implementar otros protocolos de comunicacion cuantica usando fibras opticas de telecomunicaciones como canal cuantico.
As assinaturas digitais são de fundamental importância para as comunicações eletrônicas no mundo todo por garantirem a integridade e autenticidade da informação. Com os avanços da ciência nas áreas da mecânica quântica e a introdução destes novos conceitos nas telecomunicações, a segurança da informação também precisou evoluir e cada vez mais se tem buscado novos sistemas de segurança que forneçam maior integridade e autenticidade que os sistemas clássicos. Dessa forma o objetivo deste trabalho é utilizar as propriedades do problema QSCDff , para a criação de um protocolo de assinatura quântica de mensagens. O problema QSCD ff possui propriedades matemáticas e computacionais para garantir a integridade e autenticidade das assinaturas geradas. O protocolo proposto faz uso de chaves descritas na forma de estados quânticos construídos a partir de permutações de um grupo simétrico e de uma função de hash para a compressão da mensagem original. Como entrada o protocolo recebe a mensagem clássica e uma chave privada. Para a geração do estado quântico da assinatura utiliza-se uma permutação como chave privada e o hash da mensagem. Gerar tal assinatura sem ter uma chave privada consiste em resolver um problema de encontrar automorfismos não triviais de grafos. A validação deste estado é feita através da aplicação do algoritmo quântico de busca de Grover. Por fim é mostrado que a probabilidade de falsificação da assinatura é negligenciável dado o número de cópias do estado da assinatura.