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.
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.
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.
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.
[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.
O interferômetro de Mach-Zehnder (MZI) é um aparato óptico amplamente utilizado, por exemplo, em aplicações na engenharia e também para se testar fundamentos da Teoria Quântica. Neste trabalho, investigaremos diversos estados quânticos do campo eletromagnético como entrada no MZI, todos sob a perspectiva teórica (analítica). Um estado específico de entrada do tipo emaranhado e híbrido (que se torna separável no limite α → 0) foi nosso foco principal e, para ele, obtivemos a dependência da média do número de fótons com o deslocamento de fase, entre outros parâmetros. Explicitamente, observamos uma dependência interessante em relação ao |α|2 bem como com a parte imaginária de α , discutimos tais resultados e comparamos com a literatura. Além disto, este trabalho também contempla, utilizando Dinâmica de Campos Térmicos (TFD), a termalização do estado | α⟩| 0⟩, visando sua utilização no MZI em trabalhos futuros
Efeitos notáveis são obtidos na transmissão e no processamento de informação quando se utilizam canais quânticos. Exemplos desses efeitos são algoritmos quânticos ultrarrápidos, teletransporte quântico criptografia quântica, codificação superdensa e correção quântica de erros. Embora a teoria da informação quântica comumente lide apenas com sistemas não-relativísticos, um tratamento relativístico é de grande interesse não apenas para a completeza lógica da teoria, como também para o desenvolvimento de novas limitações e efeitos físicos que surgem quando há movimento relativo entre as partes que trocam informação. Além disso, um entendimento mais profundo da extensão relativística da teoria da informação quântica pode ajudar a esclarecer problemas conceituais importantes, como o paradoxo da perda de informação em buracos negros. Do ponto de vista prático, foi proposto, recentemente, um experimento para o qual essa formulação estendida pode ser significativa. Ele consiste na transmissão de fótons emaranhados pelo espaço livre, entre estações terrestres e satélites em órbita, com o bjetivo de testar a mecânica quântica para grandes distâncias e, sobretudo, dar or primeiros passos rumo à implementação de protocolos de informação quântica em escala global. Nesta tese , apresentamos alguns dos resultados seminais da incipiente teoria relativística da informação quântica e acrescentamos duas contribuições originais: estudamos como a relatividade afeta as correlações entre as polarizações de um par de fótons emaranhados, analisando, para isso, as desigualdades de Bell quando um detector move-se em relação ao outro (como será o caso nos experimentos envolvendo satélites em órbita), e analisamos o limite de Holevo para investigar sistemas de comunicação quando há movimento relativo entre o emissor e o receptor de uma mensagem clássica enviada por um canal quântico
Neste trabalho, analisamos detalhadamente o fenômeno ondulatório da luz em um interferômetro de Mach-Zehnder (IMZ) operando em regime clássico. Um dos principais objetivos do trabalho é dar suporte a futuras transposições para o IMZ em regime quântico. O IMZ é um arranjo experimental que apresenta uma releitura, mais moderna em termos tecnológicos, do experimento das duas fendas de Young [1] e tem sido extensivamente explorado em artigos da área de computação quântica e criptografia quântica [2] - áreas que se alicerçam nos fenômenos de superposição e de interferência quânticas - e em artigos de ensino de física para disciplinas introdutórias de física quântica (FQ) - área que propõe naturalmente uma reflexão sobre o problema conceitual da escolha dos caminhos pelo fóton [3-10]. Os resultados analíticos aqui apresentados foram utilizados na elaboração de um software educacional que simula a interferência nos regimes clássico e quântico e que está em plena utilização em cursos introdutórios de FQ no IF-UFRGS.