Experimental Semi-Device Independent Quantum Key Distribution

Abstract

The goal of quantum key distribution is to safely transfer secret data between two legitimate users through an unreliable network. This is done so by exploiting the properties of quantum mechanics. The security proofs of standard quantum key distribution protocols rely heavily on the characterization of the measurements and prepared quantum states. These assumptions, however, prove to be difficult to meet in real-life implementations. The obvious solution would come as device-independent (DI) security proofs. However, this type of implementation remains a challenge to this day. The alternative to DI found was a semi-device independent approach. Here the devices are non-characterized, and the only assumption made is the inner product information of the sent coherent states. As it is currently one of the most well-established quantum-information technologies, I shall provide a brief introduction and state-of-the-art of quantum key distribution. In this dissertation, I will expound on the implementation of a semi-device independent quantum key distribution protocol. Firstly, state preparation is discussed. The accuracy of the state preparation as well as the measurement operation will have a great impact on the performance of the protocol based on polarization states encoded on weak coherent light pulses. To ensure these are correctly implemented, a full characterization of the polarization controllers used to encode the states is made. After that, the estimation of the parameters needed to prepare the desired polarization states and their respective optimization is explained. In this chapter, the building of the systems needed to control the polarization is also discussed. In the second part of the dissertation, the experimental implementation of the semi-device independent protocol is examined in more depth. Here, the components used shall be specified and their choice is explained. The full control of the experimental set-up will also be discussed. This includes an analysis of the alignment procedures and a characterization of the weak coherent pulses. Lastly, we shall discuss the experimental realization of the protocol and the discussion of the obtained results.

O objetivo da distribuição de chaves quânticas (em inglês QKD, "quantum key distribution") é transferir de forma segura chaves de encriptação entre dois utilizadores através de um canal de comunicação não protegido, com recurso às propriedades da mecânica quântica. As provas de segurança de protocolos padrão de sistemas de distribuição de chaves quânticas, requerem uma caracterização completa das operações de medida e dos estados quânticos preparados. Estas suposições são, no entanto, impraticáveis numa aplicação real devido às imperfeições inerentes aos instrumentos físicos que são utilizados. A solução que surge naturalmente é a aplicação de um sistema de distribuição de chaves quânticas cuja segurança seja assegurada independentemente dos instrumentos experimentais utilizados. No entanto, aplicações práticas deste tipo de protocolos continuam a ser um grande desafio atualmente. A alternativa que surgiu foi uma abordagem semi-independente dos instrumentos utilizados. Nesta situação, os instrumentos utilizados não são caracterizados. A única caracterização a fazer é da informação do produto interno dos estados quânticos que codificam a informação enviada por Alice. O meu projeto de mestrado tem como objetivo a implementação de um protocolo de distribuição de chaves quânticas semi-independente dos dispositivos usados. A dissertação inicia-se com uma breve exposição do estado da arte e introdução ao tema.Segue-se um capítulo com a análise de como os estados quânticos serão preparados. A exatidão desta preparação tem um papel fulcral no funcionamento do protocolo. Para assegurar a sua precisão, é necessário fazer uma caracterização dos controladores de polarização utilizados para codificar os estados. Com base nesta caracterização de polarização, calcularam-se então os parâmetros necessários para preparar os estados quânticos. Neste segundo capítulo é também abordada a construção dos sistemas necessários para controlar a polarização. Na terceira parte da dissertação a implementação experimental do protocolo semi-independente de dispositivos é analisada com mais detalhe. Os componentes utilizados são enunciados e a sua escolha é discutida e fundamentada. Os métodos utilizados para controlar toda experiência são também abordados. Isto inclui uma análise das técnicas de caracterização dos pulsos coerentes. Por fim é discutida a implementação experimental do protocolo.