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Strategies for optimal realization and operation of entanglement-based quantum communication along fiber links

Sebastian Philipp Neumann

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)

Betreuer*in

Marcus Huber

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DOI

10.25365/thesis.72438

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-14409.64674.533224-2

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Quantenschlüsselverteilung ist eine der ausgereiftesten Anwendungen der Quantenmechanik. Sie ermöglicht prinzipiell unknackbar verschlüsselte Kommunikation zwischen weit entfernten Partnern. Ihre Sicherheit basiert auf den Gesetzen der Physik und nicht auf unbewiesenen Vermutungen über das Ausmaß des Rechenaufwands für die Umkehrung gewisser mathematischer Probleme, wie es in derzeit verwendeten asymmetrischen Verschlüsselungsprotokollen der Fall ist. Eine notwendige Voraussetzungfür die Realisierung von Quantenschlüsselverteilung ist das Versenden einzelner Quanten über große Distanzen. Diese wird am effizientesten durch die Verwendung von Einzelphotonen erreicht. Es gibt verschiedene Quantenschlüsselverteilungsprotokolle; verschränkungsbasierte Anwendungen wie das BBM92-Protokoll jedoch haben den Vorteil, dass sie gegen gewisse Attacken von vornherein immun sind. Für BBM92 erhalten die Kommunikationspartner Alice und Bob jeweils ein Photon eines verschränkten Photonenpaares und messen es in dem Freiheitsgrad, in dem es mit dem anderen verschränkt ist, z.B. in Polarisation. Durch den randomisierten Wechsel zwischen zwei voneinander unabhängigen Messbasen und das Vergleichen eines Teils der Messergebnisse können Alice und Bob feststellen, ob ein Lauschangriff durchgeführt wurde, der Information aus dem verschränkten Zustand extrahiert hätte. War dies nicht der Fall, sind einzig und allein die beiden im Besitz eines quantenzufälligen Bit-Strings, mit dem sie über jeden beliebigen Kanal völlig abhörsicher mittels symmetrischer Verschlüsselung kommunizieren können. In dieser Dissertation zeige ich ein stabiles polarisationsbasiertes BBM92-Protokoll über 248 km verlegte Glasfaserkabel und die dazugehörigen Vorstudien. Auch wenn Freistrahl-Quantenverbindungen via Satellit substantiell geringeren Transmissionsverlust aufweisen, haben Faserverbindungen doch den Vorteil, dass sie unabhängig von einer obstruktionsfreien Sichtverbindung operieren können. Das bedeutet, dass sie unterbrechungsfrei betrieben werden können, ohne durch Tageszeit, Wetter oder Satellitenposition eingeschränkt zu sein, was den erhöhten Verlust ausgleichen kann. Es gibt etliche faserspezifische Herausforderungen bei BBM92, wobei starker Verlust, chromatische Dispersion und Polarisationsdrift die herausragendsten darstellen. In dieser Arbeit präsentiere ich insgesamt vier Publikationen: Die erste beschäftigt sich mit der Entwicklung eines mathematischen Modells, das es nicht nur erlaubt, jedwede BBM92-Realisierung zu planen, sondern auch deren optimale Betriebsparameter, sobald diese einsatzfähig ist. In der zweiten Publikation wird eine helle und zuverlässige Quelle polarisationsverschränkter Photonenpaare vorgestellt. Diese Quelle kann einerseits für Faserkanäle über lange Distanzen eingesetzt werden. Andererseits zeigen wir auch, wie sie über kürzere Faserstrecken bis zu 1 Gbit/s Schlüsselrate herstellen könnte, und identifizieren die Leistung heutiger Einzelphotondetektoren als limitierenden Faktor für die Performance moderner Quantenschlüsselverteilung. In der dritten Publikation wird chromatische Dispersion behandelt, die einzig Faserverbindungen betrifft und das Ausschmieren der Photonen-Zeitverteilung bewirkt. Dies wiederum sorgt für verringerte Messqualität. Indem wir die Frequenzkorrelationen der verschränkten Photonen ausnutzen, stellen wir wieder scharfe Zeitverteilungen her und bedienen uns dabei nichtlokaler Dispersionskompensation. Die vierte Publikation schließlich behandelt die Herstellung einer Zweikanalverbindung für polarisationsverschränkte Photonenpaare, die die österreichisch-slowakische Grenze überquert und dabei insgesamt 248 km Faser und 79 dB Abschwächung überbrückt. Diese Verbindung betreiben wir für eine exemplarische Zeit von 110 Stunden mit fast 75% aktiver Einschaltzeit, wobei die restlichen 25% dazu verwendet werden, Polarisationsdrifts automatisiert und nichtlokal auszugleichen. Während der aktiven Zeit registrieren wir stabile Raten von 9 Photonenpaaren pro Sekunde mit einer durchschnittlichen Quantenbiterrorrate von 7%, was in einer Schlüsselrate von 1.4 bits/s und einem Gesamtschlüssel von 403 kbit resultiert.

Abstract

(Englisch)

Quantum key distribution is one of the most mature applications of quantum mechanics. It promises unconditionally secure communication between distant partners based on the laws of physics rather than assumptions about computational hardness, as is the case in currently used asymmetric encryption protocols. The long-distance transmission of single quanta, which is a precondition for feasible quantum key distribution, is most efficiently achieved using single photons. While there are many different protocols for quantum key distribution, entanglement-based applications such as the BBM92 protocol have the advantage of being immune to certain potential attacks, and they require comparably little electronical engineering overhead. In BBM92, the communication partners Alice and Bob each receive one entangled photon of a pair and measure the degree of freedom they are entangled in, e.g. polarization. By randomly switching between two mutually unbiased polarization bases for each of these measurements and comparing parts of the results, Alice and Bob can find out whether a potential eavesdropper has tried to hack their communication by extracting information from the photon states. If Alice and Bob conclude that this hasn’t been the case, they and only they are in possession of the same quantum-random bit string, which they can use as a symmetric encryption key via any classical, unsecured channel. In this work, I show a continuously working long-distance polarization-based BBM92 protocol over 248 km of deployed telecommunication fiber, as well as the necessary pre-studies. While free-space quantum connections via satellite have the advantage of substantially lower loss, fiber-based applications do not require an obstruction-free line of sight. This means that they can be operated continuously, without limitations by time of day, weather, or satellite position. This can in certain configurations compensate for the substantially lower transmission rates. There are several specific challenges to be overcome in fiber-based BBM92, the most important ones being strong attenuation, chromatic dispersion and polarization drift. In this work, I present altogether four publications: The first paper is concerned with the establishment of a correct mathematical model that not only allows to design the experimental set-up of any BBM92 realization, but also to calculate the optimal operation parameters once it is deployed. In the second paper, a high-brightness, high-fidelity source of polarization-entangled photon pairs is presented. Firstly, this source can be used for long-distance fiber links. Secondly, we show how it could provide as much as 1 Gbit/s secure key rate over shorter links, and identify today’s single-photon detector performance as the bottleneck in present-day quantum key distribution. The third publication deals with the problem of chromatic dispersion, which is unique to fiber connections and smears out the single photon’s temporal distribution. This in turn decreases the measurement fidelity. By exploiting the frequency-correlations of the entangled photon pairs, we manage to re-establish tight temporal correlations, making use of nonlocal dispersion compensation. Finally, the fourth publication combines all these findings to establish a two-channel link for polarization-entangled photon pairs crossing the Austrian-Slovakian border, thereby bridging 248 km of fiber and altogether 79 dB of loss. We operate this link for an exemplary time of 110 hours with a duty cycle of nearly 75%, where the other 25% are required for automatized nonlocal polarization drift compensation. During the on-time, we observe stable pair rates of 9 s−1 and an average quantum bit error rate of 7%, resulting in a quantum secure key of altogether 403 kbit, created with a rate of 1.4 bits/s.

Autor*innen

Sebastian Philipp Neumann

Haupttitel (Englisch)

Strategies for optimal realization and operation of entanglement-based quantum communication along fiber links

Paralleltitel (Deutsch)

Strategien zur optimalen Realisierung und Operation verschränkungsbasierter Quantenkommunikation über Faserverbindungen

Publikationsjahr

2022

Umfangsangabe

xi, 75 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Tracy Eleanor Northup ,

Armando Rastelli

Klassifikationen

33 Physik > 33.23 Quantenphysik ,

33 Physik > 33.38 Quantenoptik, nichtlineare Optik

AC Nummer

AC16650127

Utheses ID

63146

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 411 |

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