Distribución cuántica de claves criptográficas : experimentos y tecnologías - López Grande, Ignacio Hernán (2018)
En esta tesis se presentan los resultados de una serie de experimentos ópticos en los que se ejecutan algoritmos de comunicaciones cuánticas para realizar Distribución Cuántica de Claves(DCC) criptográficas con estados coherentes de muy baja intensidad. Específicamente, se estudia la implementación de esquemas prácticos y robustos de DCC, con especial interés en sistemas basados en fibra óptica. A diferencia de las comunicaciones por aire, este medio permite transmitir estados cuánticos con bajísimas atenuaciones y mínimas perturbaciones externas, utilizando instrumental comercialmente disponible y de bajo costo, incluso para distancias de decenas de kilómetros. Los protocolos de DCC estudiados codifican información clásica (bits) en estados cuánticos preparados sobre distintos grados de libertad discretos de sistemas físicos. En el trabajo se exploran implementaciones que explotan la polarización y los modos temporales discretos de luz (time-bin). En ambos casos, fue necesario desarrollar y familiarizarse con tecnologías específicas para la preparación, transmisión y detección de dichos estados cuánticos. El problema de transmitir estados cuánticos en fibra de forma eficiente y robusta se atacó con dos estrategias. Por un lado, utilizando el grado de libertad de polarización y, por otro, modos temporales discretos de luz. En el primer caso, se codificaron los estados en el grado de libertad de polarización, que es fácilmente accesible. Sin embargo, este es muy sensible a perturbaciones, por lo que para asegurar la robustez se incorporó un sistema de estabilización activa del Estado de Polarización(SOP, por su sigla en inglés). Con este esquema se implementaron dos variantes de un protocolo clásico de DCC, llamado BB84, utilizando la polarización de pulsos de luz para codificar los estados cuánticos. Esto requirió el desarrollo de una fuente de pulsos tenues de luz basada en un láser DFB en el rango de las telecomunicaciones, con un modulador de intensidad externo por electroabsorción. Se diseñó un sistema de estabilización de la polarización robusto que permite compensar de forma automática las perturbaciones que genera la birrefringencia de la fibra sobre el estado de polarización. El sistema está basado en controladores de polarización comerciales y electrónica de control diseñada especifícamente, y puede ser adaptado fácilmente a cualquier protocolo de comunicación por fibra. En este sentido, se realizó una implementación del protocolo BB84 y una variante llamada BB84E, que requiere la utilización de los seis estados de un conjunto completo de bases mutuamente no sesgadas para la polarización. En el segundo caso, se ensayó una codificación más sofisticada y resistente a perturbaciones, que implicó enfrentar una serie de desafíos tecnológicos, pero que se presenta como una alternativa práctica y escalable en distancia de transmisión y velocidad. Se propuso un esquema híbrido de DCC basado en un protocolo de referencia de fase distribuida con comunicación bidireccional (Plug & Play), ambas tecnologías desarrolladas para trabajar especifícamente en fibra óptica, en un esquema con economía de recursos y distribución tipo servidor-cliente. Así, se obtuvo una configuración en donde tanto el instrumental como las operaciones sobre los estados más sensibles del protocolo se encuentran concentradas en una de las partes (servidor), mientras que los requerimientos sobre la otra parte involucrada en la comunicación son mínimos. Esta alternativa combina diferentes características deseables en una implementación práctica de DCC, como la simplicidad y la robustez. El esquema propuesto codifica estados cuánticos en modos temporales discretos de luz. Esto requirió el desarrollo de dispositivos específicos para preparar y medir estos estados, basados en interferómetros de fibra óptica que no demanden estabilización activa. Otra de las premisas fue la independencia de funcionamiento del estado de polarización, que se logra a partir de la incorporación de rotadores de Faraday en diferentes partes del esquema empleado. Por último, debido al tipo de codificación y al sistema de sincronización utilizados, este esquema es adaptable a tasas de transmisión 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 sí mismos. Entre ellos figuran la estabilización activa de interferómetros de Mach-Zehnder en fibra y el estudio de esquemas experimentales alternativos para el protocolo híbrido de DCC propuesto. También se puede destacar la puesta a punto de un prototipo autónomo de DCC en aire y su adaptación para obtener un protocolo que distingue mezclas computables (pseudoaleatorias) de estados cuánticos. Este es un tema de interés para el procesamiento cuántico de la información en general. Las técnicas abordadas y el know-how adquirido permiten entender y superar distintos problemas particulares de la utilización de estados cuánticos en comunicaciones por fibra óptica. Además, estos desarrollos tienen la capacidad de ser empleados tanto en ensayos de DCC que excedan el ámbito del laboratorio, como en un contexto más amplio que permita implementar otros protocolos de comunicación cuántica usando fibras ópticas de telecomunicaciones como canal cuántico.