(English) Being able to secure confidential information is imperative in today’s society, but advancements in quantum technologies pose a potential threat. In response, researchers are developing technologies based on quantum mechanics, such as quantum key distribution (QKD), in particular continuous-variable QKD (CV-QKD), which is emerging as a promising solution due to its compatibility with classical network infrastructures. However, current systems remain bulky and costly, limiting their widespread adoption. To address this challenge, the miniaturization and integration of QKD systems into monolithic photonic integrated circuits (PICs) have the potential to accelerate adoption across a broader market. This is due to the anticipated reductions in size, power consumption, production costs and overall system complexity. This work presents four pulsed Gaussian-modulated coherent state (GMCS) CV-QKD systems based on discrete components and, in the last case, a PIC. The thesis begins with a modular system utilizing discrete components, such as phase and amplitude modulators. Notably, this prototype eliminates the need for phase locking, as the same laser serves as both a local oscillator and the source for generating quantum signals. The system mitigates Rayleigh backscattering by employing two channels, one for transmitting light and the other for transmitting coherent states. Demonstrations indicate its operability over metropolitan distances. In the second approach, the system showcases the parallelization of CV-QKD signals and the coexistence of multiple quantum signals with a classical signal, spatially multiplexed through a multicore fiber (MCF). In this scenario, two lasers are employed, with one emitting the frequency locking signal propagating along one of the MCF’s core. The third proposal introduces a simplified CV-QKD transmitter (TX) that eliminates the need for a phase modulator in the GMCS generation. This system leverages the random properties of a distributed feedback (DFB) laser operating in the gain-switching (GS) mode. The study demonstrates the applicability of our proposed compact TX for GMCS generation in CV-QKD and its feasibility for integration into a metropolitan network. Finally, we describe and characterize an InP-based PIC TX tailored for CV-QKD applications. System-level proof-of-principle experiments are conducted using a shared laser approach with a pulsed GMCS CV-QKD protocol over an 11 km optical fiber channel. The results indicate potential secret key rates of 52 kbps in the asymptotic regime and 27 kbps in the finite size regime, highlighting the capabilities of the proposed PIC design and, more broadly, the properties of InP technologies for monolithic integration of CV-QKD systems. All the proof-of-principle experiments outlined in this dissertation contribute significantly to the field of miniaturizing CV-QKD systems. (Català) La capacitat d'assegurar informació confidencial és imperativa en la societat actual, però els avenços en tecnologies quàntiques plantegen una amenaça potencial. En resposta, els investigadors estan desenvolupant tecnologies basades en la mecànica quàntica, com la distribució quàntica de claus (QKD), en particular la QKD de variable contínua (CV-QKD), que està emergint com una solució prometedora a causa de la seva compatibilitat amb les infraestructures de xarxes clàssiques. No obstant això, els sistemes actuals continuen sent voluminosos i costosos i en limiten l'adopció generalitzada. Per abordar aquest desafiament, la miniaturització i la integració de sistemes QKD en circuits fotònics integrats monolítics (PICs) tenen el potencial d'accelerar l'adopció en un mercat més ampli. Això és degut a les reduccions anticipades en mida, en consum d'energia, en costos de producció i en la complexitat del sistema en general. Aquest treball presenta quatre sistemes de CV-QKD d'estat coherent gaussià modulat per polsos (GMCS), basats en components discrets i, en l'últim cas, en un PIC. La tesi comença amb un sistema modular que utilitza components discrets, com a moduladors de fase i d’amplitud. És important destacar que aquest prototip elimina la necessitat del blocatge de fase, ja que el mateix làser serveix tant com a oscil·lador local com a font per generar senyals quàntics. El sistema redueix la retrodispersió de Rayleigh mitjançant l'ús de dos canals, l’un per transmetre llum i l'altre per transmetre estats coherents. Les demostracions indiquen la operabilitat que tenen sobre distàncies metropolitanes. En el segon enfocament, el sistema mostra la paral·lelització dels senyals de CV-QKD i la coexistència de múltiples senyals quàntics amb la d’un senyal clàssic, multiplexades espacialment a través d'una fibra multicore (MCF). En aquest escenari, s'empren dos làsers, un dels quals emet el senyal de sincronització de freqüència que es propaga al llarg d'un dels nuclis del MCF. La tercera proposta introdueix un transmissor (TX) de CV-QKD simplificat que elimina la necessitat d'un modulador de fase en la generació de GMCS. Aquest sistema aprofita les propietats aleatòries d'un làser de retroalimentació distribuïda (DFB) que opera en el mode de commutació de guany (GS). L'estudi demostra l'aplicabilitat del compacte TX proposat per a la generació de GMCS en CV-QKD i la viabilitat que té per a la integració en una xarxa metropolitana. Finalment, descrivim i caracteritzem un TX basat en InP dissenyat per a aplicacions de CV-QKD. Es realitzen experiments de prova de concepte, a nivell de sistema, utilitzant un enfocament de làser compartit amb un protocol de GMCS CV-QKD polsat sobre un canal de fibra òptica d’11 km. Els resultats indiquen potencials taxes de claus secretes de 52 kbps en el règim asimptòtic i 27 kbps en el règim de mida finita, i posen de manifest les capacitats del disseny de PIC proposat i, més àmpliament, les propietats de les tecnologies InP per a la integració monolítica de sistemes de CV-QKD. Tots els experiments de prova de concepte delineats en aquesta tesi contribueixen significativament al camp de la miniaturització de sistemes de CV-QKD. (Español) La capacidad de asegurar información confidencial es imperativa en la sociedad actual, pero los avances en tecnologías cuánticas plantean una amenaza potencial. En respuesta, los investigadores están desarrollando tecnologías basadas en la mecánica cuántica, como la distribución cuántica de claves (QKD), en particular QKD de variable continua (CV-QKD), que está surgiendo como una solución prometedora debido a su compatibilidad con las infraestructuras de redes clásicas. Sin embargo, los sistemas actuales siguen siendo voluminosos y costosos, lo que limita su adopción generalizada. Para abordar este desafío, la miniaturización e integración de sistemas QKD en circuitos fotónicos integrados (PICs) monolíticos tienen el potencial de acelerar su adopción en un mercado más amplio. Esto se debe a las reducciones anticipadas en tamaño, consumo de energía, costos de producción y complejidad del sistema en general. Este trabajo presenta cuatro sistemas pulsados de CV-QKD de estado coherente con modulación Gaussiana (GMCS) basados en componentes discretos y, en el último caso, en un PIC. La tesis comienza con un sistema modular que utiliza componentes discretos, como moduladores de fase y amplitud. Es importante destacar que este prototipo elimina la necesidad de bloqueo de fase, ya que el mismo láser sirve tanto como oscilador local como fuente para generar señales cuánticas. El sistema mitiga la retro dispersión de Rayleigh mediante el uso de dos canales, uno para transmitir luz y otro para transmitir estados coherentes. Las demostraciones indican su funcionamiento sobre distancias metropolitanas. En el segundo enfoque, el sistema muestra la paralelización de las señales de CV-QKD y la coexistencia de múltiples señales cuánticas con una señal clásica, multiplexadas espacialmente a través de una fibra multi-núcleo (MCF). En este escenario, se utilizan dos láseres, con uno emitiendo la señal de sincronización de frecuencia que se propaga a lo largo de uno de los núcleos de la MCF. La tercera propuesta introduce un transmisor (TX) de CV-QKD simplificado que elimina la necesidad de un modulador de fase en la generación de GMCS. Este sistema aprovecha las propiedades aleatorias de un láser de retroalimentación distribuida (DFB) que opera en el modo de conmutación de ganancia (GS). El estudio demuestra la aplicabilidad de nuestro compacto TX propuesto para la generación de GMCS en CV-QKD y su viabilidad para la integración en una red metropolitana. Finalmente, describimos y caracterizamos un TX basado en InP diseñado para aplicaciones de CV-QKD. Experimentos de prueba de concepto a nivel de sistema fueron realizados utilizando el método de láser compartido con el protocolo GMCS CV-QKD pulsada a través de un canal de fibra óptica de 11 km. Los resultados indican tasas de claves secretas potenciales de 52 kbps en el régimen asintótico y 27 kbps en el régimen de tamaño finito, destacando las capacidades del diseño de PIC propuesto y, más ampliamente, las propiedades de las tecnologías InP para la integración monolítica de sistemas de CV-QKD. Todos los experimentos de prueba de concepto delineados en esta tesis contribuyen significativamente al campo de la miniaturización de sistemas de CV-QKD.
(English) Being able to secure confidential information is imperative in today’s society, but advancements in quantum technologies pose a potential threat. In response, researchers are developing technologies based on quantum mechanics, such as quantum key distribution (QKD), in particular continuous-variable QKD (CV-QKD), which is emerging as a promising solution due to its compatibility with classical network infrastructures. However, current systems remain bulky and costly, limiting their widespread adoption. To address this challenge, the miniaturization and integration of QKD systems into monolithic photonic integrated circuits (PICs) have the potential to accelerate adoption across a broader market. This is due to the anticipated reductions in size, power consumption, production costs and overall system complexity. This work presents four pulsed Gaussian-modulated coherent state (GMCS) CV-QKD systems based on discrete components and, in the last case, a PIC. The thesis begins with a modular system utilizing discrete components, such as phase and amplitude modulators. Notably, this prototype eliminates the need for phase locking, as the same laser serves as both a local oscillator and the source for generating quantum signals. The system mitigates Rayleigh backscattering by employing two channels, one for transmitting light and the other for transmitting coherent states. Demonstrations indicate its operability over metropolitan distances. In the second approach, the system showcases the parallelization of CV-QKD signals and the coexistence of multiple quantum signals with a classical signal, spatially multiplexed through a multicore fiber (MCF). In this scenario, two lasers are employed, with one emitting the frequency locking signal propagating along one of the MCF’s core. The third proposal introduces a simplified CV-QKD transmitter (TX) that eliminates the need for a phase modulator in the GMCS generation. This system leverages the random properties of a distributed feedback (DFB) laser operating in the gain-switching (GS) mode. The study demonstrates the applicability of our proposed compact TX for GMCS generation in CV-QKD and its feasibility for integration into a metropolitan network. Finally, we describe and characterize an InP-based PIC TX tailored for CV-QKD applications. System-level proof-of-principle experiments are conducted using a shared laser approach with a pulsed GMCS CV-QKD protocol over an 11 km optical fiber channel. The results indicate potential secret key rates of 52 kbps in the asymptotic regime and 27 kbps in the finite size regime, highlighting the capabilities of the proposed PIC design and, more broadly, the properties of InP technologies for monolithic integration of CV-QKD systems. All the proof-of-principle experiments outlined in this dissertation contribute significantly to the field of miniaturizing CV-QKD systems. (Català) La capacitat d'assegurar informació confidencial és imperativa en la societat actual, però els avenços en tecnologies quàntiques plantegen una amenaça potencial. En resposta, els investigadors estan desenvolupant tecnologies basades en la mecànica quàntica, com la distribució quàntica de claus (QKD), en particular la QKD de variable contínua (CV-QKD), que està emergint com una solució prometedora a causa de la seva compatibilitat amb les infraestructures de xarxes clàssiques. No obstant això, els sistemes actuals continuen sent voluminosos i costosos i en limiten l'adopció generalitzada. Per abordar aquest desafiament, la miniaturització i la integració de sistemes QKD en circuits fotònics integrats monolítics (PICs) tenen el potencial d'accelerar l'adopció en un mercat més ampli. Això és degut a les reduccions anticipades en mida, en consum d'energia, en costos de producció i en la complexitat del sistema en general. Aquest treball presenta quatre sistemes de CV-QKD d'estat coherent gaussià modulat per polsos (GMCS), basats en components discrets i, en l'últim cas, en un PIC. La tesi comença amb un sistema modular que utilitza components discrets, com a moduladors de fase i d’amplitud. És important destacar que aquest prototip elimina la necessitat del blocatge de fase, ja que el mateix làser serveix tant com a oscil·lador local com a font per generar senyals quàntics. El sistema redueix la retrodispersió de Rayleigh mitjançant l'ús de dos canals, l’un per transmetre llum i l'altre per transmetre estats coherents. Les demostracions indiquen la operabilitat que tenen sobre distàncies metropolitanes. En el segon enfocament, el sistema mostra la paral·lelització dels senyals de CV-QKD i la coexistència de múltiples senyals quàntics amb la d’un senyal clàssic, multiplexades espacialment a través d'una fibra multicore (MCF). En aquest escenari, s'empren dos làsers, un dels quals emet el senyal de sincronització de freqüència que es propaga al llarg d'un dels nuclis del MCF. La tercera proposta introdueix un transmissor (TX) de CV-QKD simplificat que elimina la necessitat d'un modulador de fase en la generació de GMCS. Aquest sistema aprofita les propietats aleatòries d'un làser de retroalimentació distribuïda (DFB) que opera en el mode de commutació de guany (GS). L'estudi demostra l'aplicabilitat del compacte TX proposat per a la generació de GMCS en CV-QKD i la viabilitat que té per a la integració en una xarxa metropolitana. Finalment, descrivim i caracteritzem un TX basat en InP dissenyat per a aplicacions de CV-QKD. Es realitzen experiments de prova de concepte, a nivell de sistema, utilitzant un enfocament de làser compartit amb un protocol de GMCS CV-QKD polsat sobre un canal de fibra òptica d’11 km. Els resultats indiquen potencials taxes de claus secretes de 52 kbps en el règim asimptòtic i 27 kbps en el règim de mida finita, i posen de manifest les capacitats del disseny de PIC proposat i, més àmpliament, les propietats de les tecnologies InP per a la integració monolítica de sistemes de CV-QKD. Tots els experiments de prova de concepte delineats en aquesta tesi contribueixen significativament al camp de la miniaturització de sistemes de CV-QKD. (Español) La capacidad de asegurar información confidencial es imperativa en la sociedad actual, pero los avances en tecnologías cuánticas plantean una amenaza potencial. En respuesta, los investigadores están desarrollando tecnologías basadas en la mecánica cuántica, como la distribución cuántica de claves (QKD), en particular QKD de variable continua (CV-QKD), que está surgiendo como una solución prometedora debido a su compatibilidad con las infraestructuras de redes clásicas. Sin embargo, los sistemas actuales siguen siendo voluminosos y costosos, lo que limita su adopción generalizada. Para abordar este desafío, la miniaturización e integración de sistemas QKD en circuitos fotónicos integrados (PICs) monolíticos tienen el potencial de acelerar su adopción en un mercado más amplio. Esto se debe a las reducciones anticipadas en tamaño, consumo de energía, costos de producción y complejidad del sistema en general. Este trabajo presenta cuatro sistemas pulsados de CV-QKD de estado coherente con modulación Gaussiana (GMCS) basados en componentes discretos y, en el último caso, en un PIC. La tesis comienza con un sistema modular que utiliza componentes discretos, como moduladores de fase y amplitud. Es importante destacar que este prototipo elimina la necesidad de bloqueo de fase, ya que el mismo láser sirve tanto como oscilador local como fuente para generar señales cuánticas. El sistema mitiga la retro dispersión de Rayleigh mediante el uso de dos canales, uno para transmitir luz y otro para transmitir estados coherentes. Las demostraciones indican su funcionamiento sobre distancias metropolitanas. En el segundo enfoque, el sistema muestra la paralelización de las señales de CV-QKD y la coexistencia de múltiples señales cuánticas con una señal clásica, multiplexadas espacialmente a través de una fibra multi-núcleo (MCF). En este escenario, se utilizan dos láseres, con uno emitiendo la señal de sincronización de frecuencia que se propaga a lo largo de uno de los núcleos de la MCF. La tercera propuesta introduce un transmisor (TX) de CV-QKD simplificado que elimina la necesidad de un modulador de fase en la generación de GMCS. Este sistema aprovecha las propiedades aleatorias de un láser de retroalimentación distribuida (DFB) que opera en el modo de conmutación de ganancia (GS). El estudio demuestra la aplicabilidad de nuestro compacto TX propuesto para la generación de GMCS en CV-QKD y su viabilidad para la integración en una red metropolitana. Finalmente, describimos y caracterizamos un TX basado en InP diseñado para aplicaciones de CV-QKD. Experimentos de prueba de concepto a nivel de sistema fueron realizados utilizando el método de láser compartido con el protocolo GMCS CV-QKD pulsada a través de un canal de fibra óptica de 11 km. Los resultados indican tasas de claves secretas potenciales de 52 kbps en el régimen asintótico y 27 kbps en el régimen de tamaño finito, destacando las capacidades del diseño de PIC propuesto y, más ampliamente, las propiedades de las tecnologías InP para la integración monolítica de sistemas de CV-QKD. Todos los experimentos de prueba de concepto delineados en esta tesis contribuyen significativamente al campo de la miniaturización de sistemas de CV-QKD.
(English) The dawn of the last century marked the onset of the first quantum revolution, a period characterized by groundbreaking discoveries culminating in the establishment of quantum mechanics. Over time, the abstract concepts introduced by this new branch of Physics, evolved into indispensable practical devices shaping our daily lives. This technological evolution spurred our actual era, centered around information exchange and acquisition, laying the foundation for what is now termed the second quantum revolution. This phase aims to leverage quantum information science, which harnesses quantum mechanics' properties to propel advancements in information processing, communication, and computation, leading to revolutionary quantum technologies. At the heart of advancing quantum technologies lies the exploration of what are known as non-classical states --physical manifestations exhibiting behaviors diverging from classical physics, necessitating the framework of quantum mechanics for explanation. Manipulating and generating these states delineates the frontier of progress in quantum technology. Therefore, it is crucial to devise methodologies for generating and controlling non-classical states. Photonics emerges as a promising platform within this context due to its robustness and exceptional manageability of this kind of states. For the above reasons, this Thesis adopts a dual focus. Firstly, we delve into the generation of non-classical states of light through strong-field processes. These processes entail interactions between light and matter, where light intensities contend with the binding forces that keep electrons bound to their respective nuclei. Our exploration demonstrates the utility of strong-field phenomena in generating non-classical states of light, exhibiting intriguing features dependent on specific process dynamics and the materials involved in excitation. Secondly, we investigate the constraints and prerequisites of non-classical states of light sources --beyond those derived from the aforementioned strong-field processes-- for the advancement of quantum communication. In particular, we analyze quantum key distribution, aiming to create a secret key exclusively known by the communicating parties for encrypting and decrypting messages. Therefore, this Thesis can be understood as a zeroth step towards leveraging strong-field physics as a prospective tool for quantum information science applications, as well as an exploration about the advances and limitations of photonic-based setups for quantum key distribution. (Català) El començament del segle passat va ser el punt de partida de la primera revolució quàntica, un període caracteritzat per descobriments innovadors que van culminar amb l'establiment de la mecànica quàntica. Amb el pas del temps, aquests conceptes abstractes introduïts en aquesta nova branca de la física, van evolucionar cap a dispositius que s'han convertit en indispensables en el nostre dia a dia. Aquesta evolució tecnològica ha impulsat l'era en la qual vivim, centrada en l'intercanvi i l'adquisició d'informació, cimentant l'actual segona revolució quàntica. El seu objectiu és aprofitar la ciència de la informació quàntica, que utilitza les propietats de la mecànica quàntica per impulsar avanços en el processament de la informació, la comunicació i la computació, donant lloc a tecnologies quàntiques revolucionàries. Per l'avanç de les tecnologies quàntiques és primordial l'exploració dels ano-menats estats no clàssics, és a dir, manifestacions físiques que mostren comportaments diferents als predits per la física clàssica, i que requereixen la mecànica quàntica per a la seva explicació. La manipulació i generació d'aquests estats limita les capacitats de progrés de les tecnologies quàntiques. És, per tant, fonamental idear metodologies que tinguin com a objectiu generar i controlar estats no clàssics. En aquest context, el camp de la fotònica emergeix com una plataforma prometedora per la seva robustesa i excepcional maneig d'aquest tipus d'estats. En base als motius explicats anteriorment, aquesta Tesi adopta un enfocament dual. En primer lloc, ens endinsem en la generació d'estats no clàssics de la llum mitjançant processos que involucren camps intensos. Aquests processos involucren interaccions entre la llum i la matèria amb intensitats lluminoses capaces de competir amb les forces atòmiques que mantenen els electrons units als seus nuclis. El nostre anàlisi demostra la utilitat que aquests processos de camps intensos tenen sobre la generació d'estats no clàssics de la llum, els quals mostren característiques d'interès depenent dels processos particulars que tinguin lloc, així com de les característiques del material involucrat en l'excitació. En segon lloc, investiguem les limitacions i requisits de les fonts de llum generadores d'estats no clàssics, més enllà de les derivades de l'anàlisi de camps intensos, amb respecte als seus possibles avanços en el camp de la comunicació quàntica. En particular, analitzem la distribució quàntica de claus, amb l'objectiu de generar una clau secreta coneguda exclusivament per les parts comunicants per tal d'encriptar i desencriptar missatges. Així doncs, aquesta Tesi es pot entendre com un pas inicial per aprofitar la física de camps intensos com una eina potencial per a la ciència de la informació quàntica, així com una exploració sobre els avanços i limitacions de sistemes basats en la fotònica per a la criptografia quàntica. (Español) El comienzo del siglo pasado vio el inicio de la primera revolución cuántica, un periodo caracterizado por descubrimientos innovadores que culminaron en el establecimiento de la mecánica cuántica. Con el transcurso del tiempo, los conceptos abstractos introducidos en esta nueva rama de la Física, evolucionaron en dispositivos que se han tornado indispensables en nuestros quehaceres diarios. Esta evolución tecnológica ha impulsado la era en la que vivimos, centrada en el intercambio y la adquisición de información, sentando las bases de lo que ahora se denomina como la segunda revolución cúantica. El objetivo de ésta es la de aprovechar la ciencia de la información cuántica, que emplea las propiedades de la mecánica cuántica para impulsar avances en el procesamiento de información, la comunicación y la computación, dando lugar a tecnologías cuánticas revolucionarias. Troncal al avance de las tecnologías cuánticas, se encuentra la exploración de los denominados estados no clásicos, esto es, manifestaciones físicas que exhiben comportamientos diferentes a los predichos por la física clásica, y que requieren del marco de la mecánica cuántica para su explicación. La manipulación y generación de estos estados limita las capacidades de progreso de las tecnologías cuánticas. Es, por lo tanto, fundamental el idear metodologías cuyo fin sea el de generar y controlar estados no clásicos. En este contexto, el campo de la fotónica emerge como una plataforma prometedora debido a su robustez y excepcional manejo de los susodichos. Por estos motivos, esta Tesis adopta un foco dual. En primer lugar, nos adentramos en la generación de estados no clásicos de la luz por medio de procesos que involucran campos intensos. Este tipo de procesos conciernen interacciones entre luz y materia que involucran intensidades lumínicas capaces de competir con las fuerzas atómicas que mantienen los electrones unidos a sus núcleos. Nuestro análisis demuestra la utilidad que estos procesos de campos intensos tienen sobre la generación de estados no clásicos de la luz, los cuales exhiben características de interés dependiendo de las procesos particulares que tengan lugar, así como de las características del material involucrado en la excitación. En segundo lugar, investigamos las limitaciones y requisitos de las fuentes de luz generadoras de estados no clásicos, más allá de aquellas derivadas en el análisis de campos intensos, con respecto a sus posibles avances en el campo de la comunicación cuántica. En particular, analizamos la distribución cuántica de claves, cuyo objetivo es el de generar una clave secreta conocida exclusivamente por las partes comunicantes para encriptar y desencriptar mensajes. Por lo tanto, esta Tesis puede entenderse como un paso inicial para aprovechar la física de campos intensos como una herramienta potencial para la ciencia de la información cuántica, así como una exploración sobre los avances y limitaciones de sistemas basados en la fotónica para la distribución cuántica de claves.
Developing quantum key distribution (QKD) systems using monolithic photonic integrated circuits (PICs) can accelerate their adoption by a wide range of markets, thanks to the potential reduction in size, complexity of the overall system, power consumption, and production cost. In this work, we design, fabricate and characterize an InP-based PIC transmitter for continuous-variable (CV) QKD applications. In a proof-of-principle experiment implementing a pulsed Gaussian-modulated coherent state (GMCS) CV-QKD protocol over an optical fiber channel of 11 km, the system showed a performance compatible with a secret key rate of 78 kbps in the asymptotic regime. These results show the potential of InP technologies to integrate CV-QKD systems onto a monolithic platform.
Quantum key distribution (QKD) enables secure secret key exchange with information-theoretic security by leveraging the principles of quantum mechanics. Continuous-variable QKD (CV-QKD), which utilizes coherent states and coherent detection, has gained attention as a promising approach due to its seamless integration with existing telecommunications networks. CV-QKD systems, which are built with standard telecommunication components, open the door—through photonic integration technology—to the development of devices that are more affordable, compact, and energy efficient. This paper reviews the current state of the art and highlights our recent progress toward fully integrated CV-QKD systems.
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.
Quantum key distribution (QKD) stands as the most successful application of quantum information science, providing information-theoretic security for key exchange. While it has evolved from proof-of-concept experiments to commercial products, widespread adoption requires chip-based integration to reduce costs, enable mass production, facilitate miniaturization, and enhance system performance. Here, we demonstrate a fully photonic-integrated continuous-variable QKD (CV-QKD) system operating at a classical telecom symbol rate of 16 GBaud. Our system integrates a silicon photonic transmitter circuit (excluding the laser source) and a 20 GHz shot-noise-limited photonic–electronic receiver, which features a phase-diverse silicon photonic integrated circuit and custom-designed GaAs pHEMT transimpedance amplifiers. Advanced digital signal processing allows our system to achieve a secure key rate for discrete-modulated coherent state CV-QKD that reaches 0.289 Gb/s and 0.246 Gb/s over a 20 km fiber link in the asymptotic regime and with finite-size parameter estimation, respectively. These results represent a critical step toward scalable, cost-effective, and mass-deployable quantum-secure communication using photonic-integrated CV-QKD systems.
Esta tesis se centra en el estudio de la aplicabilidad que dos disciplinas, la fotónica de microondas (MWP) y las comunicaciones cuánticas, pueden aportar en el desarrollo de nuevos sistemas de distribución de clave cuántica (QKD). El objetivo principal es el análisis y la validación experimental de sistemas QKD en la técnica de codificación en frecuencia (FC-QKD), por medio de distintas configuraciones de moduladores. Los sistemas FC-QKD permiten la incorporación de técnicas de multiplexación empleadas en MWP, por ello, se presenta un sistema basado en multiplexación de la subportadora (SCM) y multiplexación en longitud de onda (WDM) que permite la correcta distribución de claves mediante el protocolo BB84. Los sistemas SCM-QKD presentan algunas ventajas como su alta eficiencia espectral y la posibilidad de compartir una única fuente para todos los canales. Esto reduce considerablemente la complejidad del sistema y permite incorporar la técnica WDM aumentando el número de claves que se transmiten paralelamente y transmitiendo la informacióon de estas junto a canales clásicos sobre la misma fibra óptica.\nPara entender las funcionalidades de los sistemas FC-QKD se ha realizado un análisis teórico, que permite obtener expresiones para la tasa de error de bit (QBER) y la tasa de transmisión de clave, teniendo en cuenta los diferentes factores limitantes de los sistemas SCM-QKD, incluyendo la dispersión de la fibra y los efectos de intermodulación. Complementando este análisis teórica, se desarrolla diferentes esquemas experimentales en el laboratorio para evaluar la viabilidad experimental de este tipo de estructuras y tecnologías para su uso en sistemas QKD. Finalmente se presenta un sistema con cuatro canales independientes consiguiéndose una tasa de bit en crudo de 10 kb/s por canal, con un QBER por debajo del 2% y un enlace de 11 km. Estos resultados abren el camino para el uso de estos sistemas QKD en redes ópticas.