São cada vez mais necessários desenvolvimentos em métodos de encriptação que permitam comunicação perfeitamente segura sobre a ameaça de qualquer entidade externa. Essa necessidade surge relacionada com a continua informatização dos dados de qualquer indivíduo.O desenvolvimento de um sistema de encriptação teoricamente infalível está limitado pelo problema de distribuição de chaves, que é passível de intrusão. Certas propriedades quânticas oferecem uma solução possível para a criação de um sistema robusto de distribuição de chaves para encriptação. Exploração de propriedades quânticas, como o principio da incerteza de Heisenberg ou o teorema da não clonagem, permitem a deteção de intrusão durante a distribuição de chaves, pelo efeito que têm no aumento de uma taxa de erro. No entanto, o sistema fica mais sensível e vulnerável a erros em comparação a outros sistemas de encriptação comummente utilizados. Este aumento em dificuldade leva a que o hardware necessário seja mais complexo. O aumento da complexidade do hardware, no entanto, não compensa, atualmente, as perdas em distância e frequência de encriptação. Devido a tal muito trabalho ainda tem de ser feito em otimização e compensação de erros.Esta dissertação foca-se na apresentação de um método de otimização de um transmissor num sistema distribuição de chaves de encriptação quânticas. Os bits quânticos nesta aplicação são codificados utilizando o estado de polarização de fotões. Este método de codificação é geralmente referido de, Distribuição de Chaves Quânticas com Variáveis Discretas (DV-QKD). O transmissor utiliza um Controlador de Polarização Elétrico (EPC) que modifica a estado de polarização da luz consoante a tensão elétrica aplicada aos vários estágios que o constituem. Nesta dissertação procuramos otimizar a escolha de tensões a aplicar ao controlador de polarização elétrico. O objetivo é obter os seis estados de polarização necessários à saída do EPC no menor intervalo de tensões possível. O processo de criação da função custo, escolha e aplicação de um algoritmo de machine learning é discutido detalhadamente. Embora não sabendo todas as caraterísticas do EPC, relacionadas com a calibração, resultados que validam os dados obtidos numericamente pelo algoritmo são demonstrados. A aplicação do algoritmo, Otimização de Enxame de Partículas (PSO), como método de otimização da geração dos estados de polarização, foi relizada com sucesso. Resultados obtidos provam que transições entre os seis estados de polarização, usados em sistemas distribuição de chaves quânticas, são possiveis num intervalo de tensão inferior a 10 V em cada pino de controlo de um estágio do EPC, um valor pequeno quando comparado à gama de total de 140 V do EPC utilizado.A hipótese de utilizar outra versão deste algoritmo como método de compensação a desvios, em relação ao estado de polarização esperado, é também discutido.
São cada vez mais necessários desenvolvimentos em métodos de encriptação que permitam comunicação perfeitamente segura sobre a ameaça de qualquer entidade externa. Essa necessidade surge relacionada com a continua informatização dos dados de qualquer indivíduo.O desenvolvimento de um sistema de encriptação teoricamente infalível está limitado pelo problema de distribuição de chaves, que é passível de intrusão. Certas propriedades quânticas oferecem uma solução possível para a criação de um sistema robusto de distribuição de chaves para encriptação. Exploração de propriedades quânticas, como o principio da incerteza de Heisenberg ou o teorema da não clonagem, permitem a deteção de intrusão durante a distribuição de chaves, pelo efeito que têm no aumento de uma taxa de erro. No entanto, o sistema fica mais sensível e vulnerável a erros em comparação a outros sistemas de encriptação comummente utilizados. Este aumento em dificuldade leva a que o hardware necessário seja mais complexo. O aumento da complexidade do hardware, no entanto, não compensa, atualmente, as perdas em distância e frequência de encriptação. Devido a tal muito trabalho ainda tem de ser feito em otimização e compensação de erros.Esta dissertação foca-se na apresentação de um método de otimização de um transmissor num sistema distribuição de chaves de encriptação quânticas. Os bits quânticos nesta aplicação são codificados utilizando o estado de polarização de fotões. Este método de codificação é geralmente referido de, Distribuição de Chaves Quânticas com Variáveis Discretas (DV-QKD). O transmissor utiliza um Controlador de Polarização Elétrico (EPC) que modifica a estado de polarização da luz consoante a tensão elétrica aplicada aos vários estágios que o constituem. Nesta dissertação procuramos otimizar a escolha de tensões a aplicar ao controlador de polarização elétrico. O objetivo é obter os seis estados de polarização necessários à saída do EPC no menor intervalo de tensões possível. O processo de criação da função custo, escolha e aplicação de um algoritmo de machine learning é discutido detalhadamente. Embora não sabendo todas as caraterísticas do EPC, relacionadas com a calibração, resultados que validam os dados obtidos numericamente pelo algoritmo são demonstrados. A aplicação do algoritmo, Otimização de Enxame de Partículas (PSO), como método de otimização da geração dos estados de polarização, foi relizada com sucesso. Resultados obtidos provam que transições entre os seis estados de polarização, usados em sistemas distribuição de chaves quânticas, são possiveis num intervalo de tensão inferior a 10 V em cada pino de controlo de um estágio do EPC, um valor pequeno quando comparado à gama de total de 140 V do EPC utilizado.A hipótese de utilizar outra versão deste algoritmo como método de compensação a desvios, em relação ao estado de polarização esperado, é também discutido.
Nesta dissertação é estudado um sistema de distribuição de chave quântica com variáveis continuas (CV-QKD) com oscilador local gerado localmente (LLO), utilizando modulação discreta e sem alteração aleatória da base de medição. Num sistema LLO não é necessário o envio de impulsos de alta intensidade multiplexados em polarização com os impulsos de sinal de baixa intensidade. Esta técnica simplícia o sistema experimental e resolve alguns problemas de segurança associados ao sistema de oscilador local co propagante. Para a compensação da diferença de fase entre os lasers de sinal e oscilador local foram enviados impulsos de referência, contendo informação da fase instantânea do laser de sinal, multiplexados no tempo com os impulsos de sinal modulados na fase. Neste trabalho foram desenvolvidos vários blocos numéricos capazes de testar a performance de um sistema de CV-QKD com recurso a uma plataforma de simulação em desenvolvimento no IT-Aveiro. São apresentados resultados referentes à caracterização do ruído de um detetor homodino, nomeadamente o ruído térmico e \shot noise". Mais ainda, utilizando a plataforma De simulação verificamos que a taxa de chave secreta expectável decresce rapidamente com a distancia. Em ambos os casos, os resultados da simulação seguem de perto os resultados teóricos expectáveis. Foi implementado no laboratório um sistema LLO-CV-QKD e a sua performance foi avaliada. Resultados de um sistema com laser único e laser duplo são apresentados. Este sistema utilizava impulsos de sinal com um número médio de fotões por símbolo igual a 1. O esquema de compensação de fase foi desenvolvido e descrito nesta tese. Resultados referentes _a caracterização de ruído do sistema de deteção utilizado são apresentados neste documento, verificando-se que a região linear compreende-se entre 2x10 6 ≤ (n) ≤ 4x10 6 fotões/impulso. O ritmo de geração de chave secreta contra ataques individuais e coletivos do sistema experimental de CV-QKD foi avaliado. Ritmos positivos foram observados contra ataques individuais no sistema de laser único, tanto para um sistema de ligação direta como para um sistema com um canal quântico de 10 km de fibra ótica, tendo valores de Kind = 0:14 bits/símbolo e Kind = 0:014 bits/símbolo, respetivamente. Para o sistema de laser duplo nenhum ritmo de geração de chave secreta positivo foi observado, verificou-se que isto se deveu ao excesso de ruído introduzido pelos componentes óticos deste último esquema.
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.
Desde a primeira vez que computação quântica foi concetualizada por Feynman, simulação quântica tem estado na vanguarda das possiveis aplicações de interesse. Os custos proibitivos de simular sistemas quânticos com computadores classicos são uma forte motivação para a investigação em computação quântica. Ao longo da última década, tem-se observado um progresso notável no desenvolvimento de hardware quantico. No entanto, os obstáculos entre nos e a era de vantagem quantica util mantem-se essencialmente os mesmos: A informação quântica e fragil, e protegê-la é um desafio. Visto que os dispositivos quânticos atuais são ruidosos e tem um número limitado de qubits, desenvolver algoritmos que possam ser executados neles e uma area de investigação importante. Por resultarem em circuitos de preparação de estado (ansatze) pouco profundos e treinaveis, algoritmos quânticos variacionais (VQAs) adaptativos são uma opção promissora. O primeiro algoritmo nesta classe, o ADAPT-VQE, pode ser utilizado para problemas de estrutura eletronica, otimização combinatoria, materia condensada, sistemas periódicos no tempo, entre outros. Nesta tese, são propostas varias melhorias para VQAs adaptativos, com o objetivo de diminuir os custos e aumentar a viabilidade a curto prazo. Propõe-se um otimizador quasi-Newton para VQAs adaptativos que reduz os custos de medição necessários para implementar estes algoritmos em hardware quântico, bem como o tempo necessario para os simular classicamente. Propõe-se ainda um novo conjunto de operadores — “operatores de intercambio acoplado” (CEOs) — que resulta no menor numero de portas quanticas e na menor profundidade de circuito entre todas as propostas na literatura. Combina-se varios desenvolvimentos-chave e mostra-se uma redução dramatica dos recursos computacionais quânticos necessários em comparação com as primeiras versões do algoritmo ou com ansätze estáticos para VQE. Adicionalmente, propõe-se uma versão codesenhada do ADAPT-VQE (Co-ADAPT-VQE) onde o hardware quântico e tido em consideração na construção do ansatz. Este paradigma pode ser utilizado para otimizar circuitos de preparação de estado em qualquer dispositivo, colmatando limitações como conetividade limitada, tempos de coerencia curtos, e erros nas portas quanticas. Finalmente, propomos estrategia para mitigar “vales de gradientes”, um problema de convergência especifico ao ADAPT-VQE.
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.
Os algoritmos quânticos variacionais têm se destacado como uma maneira de obter vantagem quântica no atual estado da arte da computação quântica, a chamada era NISQ (escala quântica intermediária com ruídos). A estrutura destes algoritmos consiste em estrategicamente combinar processamento quântico (circuito parametrizado) com otimização clássica, conectados por meio de uma função custo que norteia a otimização dos parâmetros. Neste trabalho damos principal enfoque nos circuitos parametrizados inicialmente na tarefa de detecção de emaranhamento em cadeias de spin-1/2 descritas pelo Hamiltoniano de Heisenberg com interações de primeiros vizinhos e ausência de campo externo, via testemunha de emaranhamento, em que dois circuitos são utilizados em conjunto nesta tarefa, sendo um totalmente separável, enquanto outros com capacidade de gerar emaranhamento. Utilizando estes mesmos circuitos, buscamos obter o conjunto de parâmetros ideais para preparar o estado fundamental destes mesmos Hamiltonianos, os quais consideramos de 2 a 15 q-bits. Outro resultado consiste em uma proposta de extração de trabalho em baterias quânticas descritas como uma cadeia de spin-1/2 com interações de primeiros vizinhos, considerando várias configurações dos termos de anisotropia. Utilizamos circuitos parametrizados com diferentes topologias (conexão entre os q-bits definida por portas de 2 q-bits) para obter a ergotropia nestes sistemas. Neste resultado da ergotropia, consideramos sistemas com 2 a 8 q-bits.