As comunicações quânticas estão rapidamente integrando-se às redes de fibras\nópticas, entretanto muitos desafios de engenharia ainda existem para essa\naglutinação. Esta tese discute algumas soluções práticas para a melhoria de\naplicações reais em comunicações quânticas em fibras ópticas. No primeiro\nexperimento uma fonte de pares de fótons emaranhados não-degenerados, de\nbanda-estreita, empregando conversão espontânea paramétrica descendente\n(CEPD) é utilizada para demonstrar a viabilidade da distribuição quântica de\nchaves (DQC) através de 27 km de fibras ópticas, com o canal de sincronismo\npresente na mesma fibra com uma separação de 0.8 nm em comprimento de onda.\nA outra demonstração utilizou uma fonte heráldica de fótons únicos também\nbaseada em CEPD para a realização de DQC através de 25 km de fibras ópticas\ncom a utilização do protocolo de decoy states pela primeira vez. Houve também\num estudo dos impactos gerados por ruído Raman espontâneo causado por um\ncanal óptico clássico presente na mesma fibra que o canal quântico. Um protocolo\npara gerar números verdadeiramente aleatórios em um sistema de DQC\nindependente da taxa de transmissão do sistema é proposto, e um experimento\nprova-de-princípio demonstra a idéia. Finalmente um sistema de controle\nautomático de polarização é utilizado para a realização de uma sessão de DQC\natravés de 16 km de fibras ópticas utilizando codificação em polarização, mesmo\nsob a presença de um embaralhador rápido do estado de polarização.
As comunicações quânticas estão rapidamente integrando-se às redes de fibras\nópticas, entretanto muitos desafios de engenharia ainda existem para essa\naglutinação. Esta tese discute algumas soluções práticas para a melhoria de\naplicações reais em comunicações quânticas em fibras ópticas. No primeiro\nexperimento uma fonte de pares de fótons emaranhados não-degenerados, de\nbanda-estreita, empregando conversão espontânea paramétrica descendente\n(CEPD) é utilizada para demonstrar a viabilidade da distribuição quântica de\nchaves (DQC) através de 27 km de fibras ópticas, com o canal de sincronismo\npresente na mesma fibra com uma separação de 0.8 nm em comprimento de onda.\nA outra demonstração utilizou uma fonte heráldica de fótons únicos também\nbaseada em CEPD para a realização de DQC através de 25 km de fibras ópticas\ncom a utilização do protocolo de decoy states pela primeira vez. Houve também\num estudo dos impactos gerados por ruído Raman espontâneo causado por um\ncanal óptico clássico presente na mesma fibra que o canal quântico. Um protocolo\npara gerar números verdadeiramente aleatórios em um sistema de DQC\nindependente da taxa de transmissão do sistema é proposto, e um experimento\nprova-de-princípio demonstra a idéia. Finalmente um sistema de controle\nautomático de polarização é utilizado para a realização de uma sessão de DQC\natravés de 16 km de fibras ópticas utilizando codificação em polarização, mesmo\nsob a presença de um embaralhador rápido do estado de polarização.
[pt] Os protocolos de comunicação quântica são essenciais para a transmissão segura de informações, utilizando os princípios da mecânica quântica para alcançar uma segurança inatingível por sistemas criptográficos clássicos. Diferentemente dos métodos tradicionais que dependem de chaves criptográficas convencionais, os protocolos quânticos exploram propriedades únicas dos sistemas quânticos para garantir a segurança da comunicação. No entanto, a implementação prática da distribuição quântica de chaves (QKD) é desafiada por erros introduzidos durante a geração e transmissão de estados quânticos e pela possível presença de espiões. Esta dissertação explora algumas das estratégias mais usadas para estimativa de erros, correção de erros e amplificação de privacidade em sistemas de QKD. Por meio de uma revisão bibliográfica e simulações abrangentes, o estudo avalia as técnicas mais eficazes em cada área. O objetivo final desta análise é desenvolver um método a ser implementado na Rede Rio Quântica, uma rede de comunicação quântica metropolitana que interliga as instituições PUC-Rio, CBPF e UFRJ por meio de fibras ópticas e a UFF através de um canal de espaço livre. Os resultados destacam a importância de otimizar as medidas de correção de erros e privacidade para melhorar a confiabilidade e a segurança das redes de comunicação quântica.
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.
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.
Na presente tese estudamos o processamento de informacao quântica no sistema de atomos e cavidades acopladas. Em particular, a comunicacao quântica estabelecida entre atomos remotos e a implementacao de portas logicas no sistema de cavidades acopladas. Iniciamos apresentando o sistema de cavidades acopladas, o Hamiltoniano que governa sua evolucao, algumas promissoras implementacoes experimentais e a transferencia de um estado de campo arbitrario de um foton ao longo da cadeia. Incluindo um sistema massivo, propomos um novo protocolo para uma transferencia perfeita, deterministica e flexivel de estados quânticos entre atomos remotos interagindo sucessivamente com o sistema de cavidades acopladas (atuando como quantum bus). Mesmo levando em conta efeitos dissipativos e erros de procedimento obtivemos uma alta fidelidade maxima de transmissao. Por fim, apresentamos uma proposta alternativa para a implementacao de um porta R(rotacao)- controlada de dois qubits. A proposta esta baseada em operacoes de um qubit e fase geometrica nao-convencional em atomos de tres niveis identicos fortemente bombeados por um campo classico ressonante em cavidades opticas distantes conectadas por uma fibra optica. Nossa proposta resulta em um tempo operacional constante e, com um acoplamento qubit-bus ajustavel (atomoressonador), pode-se especificar uma rotacao R particular no qubit alvo
Abstract
Nesta dissertacao lidamos com o problema da transformacao de estados de polarizacao de um ou dois fotons por meios que podem ser classicamente descritos por matrizes de Mueller. Em especial tratamos de como as propriedades de despolarizacao de meios espalhadores levam a reducao do emaranhamento e ao aumento do grau de mistura de estados emaranhados da luz. Evidenciamos como o isomorfismo entre o estado de polarizacao de uma onda plana e sistemas quânticos de dois niveis (qubits) leva a um intercâmbio de ferramentas matematicas uteis para descrever as transformacoes nesses estados. Deduzimos uma expressao que nos permite calcular como o estado de dois fotons provenientes de um processo de conversao parametrica descendente espontânea e transformado por elementos com birrefringencia variavel. Estudamos o problema da simulacao do espalhamento de luz por meios diversos por sorteio aleatorio de matrizes de Mueller e mostramos a influencia do criterio de sorteio nos resultados. Em algumas partes fomos tambem capazes de comparar dados experimentais divulgados na literatura com uma serie de simulacoes numericas realizadas.
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.