A Computação e a Criptografia Quântica tem sido campo de intenso estudo nas ultimas décadas. Contribuíram para isso o surgimento de esquemas para correção de erros através de códigos quânticos e procedimentos para construção de portas quânticas tolerantes a falhas. Também a utilização de espaços de estados quânticos arbitrários maiores que dois (qubit), tem recentemente se mostrado relevante para diminuição do custo na implementação em sistemas físicos de portas quânticas universais [1]. O teleporte quântico e uma técnica usada para deslocar estados quânticos de um lugar para outro, sem a necessidade de transmitir o sistema quântico que armazena a informação. Pode-se mostrar que esse procedimento constitui um ingrediente básico na construção de esquemas para proteção de erros. Assim o teleporte quântico surge como um recurso fundamental na área da comunicação quântica segura, e sua aplicabilidade, tem destaque na Teoria da Informação Quântica, nas áreas da Criptografia, Comunicação e Computação. O objetivo principal desse trabalho foi apresentar um esquema utilizando o teleporte quântico de dois qudits na construção de uma lógica clássica capaz de proteger portas quânticas generalizadas (dGxor) contra falhas, ou seja, contra eventuais erros de operações. Para esse fim, utilizam-se estados quânticos arbitrários (qudits) pertencentes ao espaço de Hilbert d-dimensional. O estudo teórico do espaço d-dimensional (d>2) tem se mostrado útil na construção de esquemas de codificação quântica de correção de erros. O esquema proposto aqui e uma generalização daquele apresentado por [2], o qual utiliza o teleporte quântico de dois qubits para construir uma porta quântica (C-NOT) tolerante a falhas operacionais.
A Computação e a Criptografia Quântica tem sido campo de intenso estudo nas ultimas décadas. Contribuíram para isso o surgimento de esquemas para correção de erros através de códigos quânticos e procedimentos para construção de portas quânticas tolerantes a falhas. Também a utilização de espaços de estados quânticos arbitrários maiores que dois (qubit), tem recentemente se mostrado relevante para diminuição do custo na implementação em sistemas físicos de portas quânticas universais [1]. O teleporte quântico e uma técnica usada para deslocar estados quânticos de um lugar para outro, sem a necessidade de transmitir o sistema quântico que armazena a informação. Pode-se mostrar que esse procedimento constitui um ingrediente básico na construção de esquemas para proteção de erros. Assim o teleporte quântico surge como um recurso fundamental na área da comunicação quântica segura, e sua aplicabilidade, tem destaque na Teoria da Informação Quântica, nas áreas da Criptografia, Comunicação e Computação. O objetivo principal desse trabalho foi apresentar um esquema utilizando o teleporte quântico de dois qudits na construção de uma lógica clássica capaz de proteger portas quânticas generalizadas (dGxor) contra falhas, ou seja, contra eventuais erros de operações. Para esse fim, utilizam-se estados quânticos arbitrários (qudits) pertencentes ao espaço de Hilbert d-dimensional. O estudo teórico do espaço d-dimensional (d>2) tem se mostrado útil na construção de esquemas de codificação quântica de correção de erros. O esquema proposto aqui e uma generalização daquele apresentado por [2], o qual utiliza o teleporte quântico de dois qubits para construir uma porta quântica (C-NOT) tolerante a falhas operacionais.
Ocorre atualmente um movimento de aumento da importância que a manutenção da segurança da informação vem adquirindo em redes de informação de crítica. Ao longo das últimas décadas a utilização de ferramentas criptográficas, especialmente aquelas baseadas em problemas de díficil solução computacional, foram suficientes para garantir a segurança dos sistemas de comunicação. Contudo, o desenvolvimento da nova técnica de processamento de informação conhecida como computação quântica e os resultados téoricos e experimentais apresentados por esta mostram que é possível inviabilizar alguns dos sistemas de criptografia atuais amplamente utilizados. A existência de tal vulnerabilidade representa um fator crítico em redes em que falhas de segurança da informação podem estar associadas a riscos de segurança física. Uma alternativa para os métodos criptográficos atuais consiste na utilização de sistemas quânticos na obtenção de um método criptográfico, o que se conhece como criptografia quântica. Este novo paradigma tem seu fundamento resistente mesmo na presença de capacidade tecnológica ilimitada, incluindo o cenário com disponibilidade de computação quântica. Este trabalho tem como objetivo levantar os impactos que o desenvolvimento da computação quântica têm sobre a segurança dos atuais sistemas criptográficos, apresentar e desenvolver alternativas de protocolos de criptografia quântica disponíveis, e realizar um estudo de caso por meio da avaliação da utilização de criptografia quântica no contexto da Aeronautical Telecommunication Network (ATN). Isto é feito por meio do desenvolvimento de um ambiente de simulacão que permite avaliar o comportamento de um protocolo de criptografia quântica em um cenário em um ambiente com requisitos de missão crítica, como é o caso da ATN.
[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.
A Teoria da Informação Quântica é uma área de pesquisa a qual considera o estudo dos limites máximos possíveis para o processamento e transmissão da informação, considerando que esta última encontra-se representada de acordo com as leis da Mecânica Quântica. Uma das maneiras de contribuir com esta área de pesquisa é no desenvolvimento de contrapartidas quânticas para os conceitos da Teoria da Informação Clássica. Graças a esta abordagem é que foi proposta a Teoria da Informação Quântica Erro-Zero, a qual considera o uso e as condições para que canais quânticos ruidosos possam transmitir informação clássica sem erros de decodificação. Apesar da proposição desta teoria e dos progressos recentes, foi identificado que o conhecimento das potencialidades, limitações e aplicações desta teoria ainda é incipiente. Na tentativa de minimizar este problema, esta tese apresenta dois novos conceitos ligados à Teoria da Informação Quântica Erro-Zero: (i) a capacidade quântica de sigilo erro-zero; e a (ii) informação acessível erro-zero de fontes quânticas. Em relação à primeira contribuição, tem-se o estabelecimento das condições necessárias para enviar informação por canais quânticos ruidosos sem que haja erros de decodificação e com sigilo absoluto, identificando uma nova capacidade de canais quânticos, estabelecendo a relação desta capacidade com a Teoria dos Grafos e identificando as situações em que esta possui caracterização de letra isolada. A segunda contribuição trata da proposição de uma medida de informação sobre fontes quânticas, a qual mensura o potencial de decodificar, sem erros, estados quânticos emitidos por estas fontes. Obter esta medida é um problema análogo ao de calcular a capacidade erro-zero de canais clássicos equivalentes e não há medida equivalente na Teoria da Informação Erro-Zero Clássica. Os conceitos propostos colaboram para o desenvolvimento da Teoria da Informação Quântica Erro-Zero em termos teóricos e práticos, uma vez que é possível considerar implementações de ambas contribuições com tecnologia existente atualmente. Além disto, intersecções da Teoria da Informação Quântica Erro-Zero junto à Criptografia, Teoria dos Grafos e Ciência da Computação são identificadas. O estabelecimento de tais contribuições colabora diretamente para a resolução de um dos desafios da Teoria da Informação Quântica, o qual trata da determinação de limites para a classe de tarefas de processamento de informação que são possíveis considerando a utilização da Mecânica Quântica.
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 computação quântica e especificamente na modelagem de circuitos quânticos de computação, uma porta lógica quântica (ou simplesmente porta quântica) é um circuito quântico básico que opera sobre um pequeno número de qubits, que são as unidades básicas de informação constituída por um sistema quântico de dois estados. Estes são os alicerces de construção de circuitos quânticos da mesma forma que as portas lógicas clássicas são para os circuitos digitais convencionais. No presente trabalho, pretendemos investigar aplicações da mecânica quântica não linear q-deformada em computação quântica, assim como a construção de suas portas lógicas quânticas que possam descrever fenômenos de interesse da comunidade científica nas áreas de computação quântica, teoria quântica, entre outras. Para a escrita dos trabalhos, utilizamos a linguagem de programação LaTeX, e para o desenvolvimento de gráficos ou resoluções de equações diferenciais, fizemos o uso da linguagem de programação Python. Para isso, promovemos estudos sobre alguns tópicos de computação quântica, álgebras generalizadas, linguagem de programação Python, entre outros. Nesta etapa do projeto, consideramos as seguintes referências bibliográficas: computação quântica, álgebra q-deformada, mecânica quântica não linear, circuitos quânticos, fenômenos de decoerência quântica, e etc. e promover as suas aplicações na construção do projeto, a fim de obter resultados que auxiliem a outros pesquisadores destes tópicos de pesquisa. Foram criados circuitos e analisamos a sua entropia em relação ao parâmetro de deformação algébrico q, analisamos também a taxa de variação da modificação dos estados e das probabilidades de estados dos qubits presentes nos circuitos simulados, sendo estudados também as plotagens acerca das funções generalizadas presentes nos artigos que foram usados como base neste trabalho e projeto. e para uma melhor consolidação dos resultados, criamos uma biblioteca no python que nos auxiliou no trabalho. Foi percebido que usando a matemática não usual presente nos artigos acerca da álgebra q-deformada, o parâmetro q consegue ter um enorme controle de entropia e velocidade de convergência do circuito quântico deformado em alguns respectivos algoritmos quânticos. Vendo que a sua velocidade de convergência pode ser modificada, para maior ou menor do que a usual, verifica-se aqui a extrema importância do parâmetro q em simulações e convergências de resultados acerca dos temas aqui trabalhados.
With the advent of quantum technology, the exploration of quantum teleportation has become increasingly important, and it has provided a glimpse of the potential of quantum information science. The current research delves into the background of quantum teleportation, emphasizing its key role in advancing quantum communication and computation. Implications of this research are that it has the potential to revolutionize data transmission and processing, providing a secure and efficient means of exchanging quantum information. This paper is structured to provide a comprehensive study of quantum teleportation, starting with a literature review that lays the foundation for our work. Afterward, the details of our research are presented, including the theoretical framework and the proposed methodology for realizing the quantum teleportation protocol. We provide a careful overview of the technical details, demonstrating the complexity of quantum state preparation, entanglement distribution, and Bell state measurements. Our empirical section demonstrates the practical application of these protocols, providing empirical evidence of successful teleportation of quantum states. The theoretical predictions are confirmed by the experimental results, which validate the feasibility and reliability of our approach. Conclusions drawn from the experiments emphasize the robustness of quantum teleportation as a viable technology for future quantum networks.