Optimization of a polarization encoding module for DV-QKD systems

Abstract

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.

Development of encryption methods that allow for perfectly secure communications under threat of any external entity are increasingly needed with continuously informatization of data from any person. The development of an encryption system infallible in theory is limited by the a key distribution problem. Certain quantum properties offer a possible solution in the creation of a robust system for distribution of encryption keys.The exploitation of quantum properties, like Heisenberg's uncertainty principle or the non cloning theorem, allow for intruder detection during key distribution, due to the error rate increment introduced. However this makes the overall system much more sensible and prone to errors, when compared to the most commonly used encryption methods. This increased difficulty makes it so the hardware necessary is much more complex. This increment in complexity does not yet compensate for loses in distance and communication speeds when compared to other commonly used non quantum encryption methods. Due to that a lot of work still needs to be done in optimization and error compensation.This dissertation focuses in the presentation of a method to optimize a quantum key distribution transmitter. The quantum bits utilized in this application are codified in the polarization state of photons. This encryption method is commonly referred as Discrete Value Quantum Key Distribution (DV-QKD). The transmitter employs a Electrical Polarization Controller (EPC) that modifies light state of polarization according to the voltage applied to several stages comprising the device. In this dissertation we look to optimize the voltage choices that we will apply to the EPC. The goal is to obtain every required state of polarization at it's output in lowest voltage interval between each state possible.The creation process of the cost function, the choice and application of a machine learning algorithm is discussed in detail. Even though we don't know every characteristic of the EPC, related to it's calibration, results that validate the data obtained numerically by the algorithm are presented.The application of the algorithm, Particle Swarm Optimization (PSO), as a method to optimize the generation of polarization states, was done successfully. Results show that transitions between six states of polarization used in QKD systems can be generated using a voltagerange of 10 V for each stage controlling pin, a small value when compared to the standard full range of the drive voltages, which in the employed EPC equals 140 V.The hypothesis of using a variation of this algorithm as a method to compensate deviations, in relation to the expected state of polarization, is also discussed.