Kvantová kryptografie s využitím časového a fázového kódování

Abstract

Limitujícím faktorem dnešního šifrování je neschopnost bezchybně detekovat odposlouchávání, a proto všechny šifrovací algoritmy s tím musí počítat. Pro distribuci šifrovacího klíče se dnes používá asymetrické šifrování založené na problému diskrétního logaritmu nebo faktorizaci prvočísel. Nové technologie, jako je nově se objevující oblast kvantových počítačů, však nabízejí algoritmy, které mohou efektivně vyřešit tyto úlohy, a tedy případně prolomit dnešní šifrování. Navíc by to mohlo ovlivnit všechna šifrovaná data, tedy nejen po vynálezu kvantového počítače schopného spouštět Shorův algoritmus, ale také všechna dříve uložená šifrovaná data. Kvantová distribuce klíčů umožňuji detekci odposlechu za pomocí zákonů kvantové mechaniky a umožňuje tak zcela bezpečně distribuovat symetrický klíč mezi dvě strany. Tato práce prezentuje simulaci, experimentální realizaci a testování systému kvantové distribuce klíče (QKD) založeného na protokolu BB84 s využitím časového a fázového kódování. Hlavním cílem bylo sestavit praktické optické zařízení schopné demonstrovat principy QKD na úrovni jednotlivých fotonů. Bylo vyvinuto plně integrované zařízení, které se skládá ze dvou asymetrických Mach-Zehnderových interferometrů rozdělených do sekcí Alice a Bob, propojených optickým vláknem, kvantovým kanálem. Mikropočítač Red Pitaya STEMlab 125-14 byl využit pro ovládání systému, generování laserových pulsů, aplikaci fázové modulace a provádění detekce fotonů. Na jednotlivých komponentách bylo provedeno testování a kalibrace pro optimalizaci systému. Klasická interference dosáhla viditelnosti 45,66\%, což se blíží teoretickému maximu 50\%. Kvantové měření na úrovni jednotlivých fotonů dosáhlo viditelnosti 32,60\%, což demonstruje úspěšnou interferenci a schopnost kódovat informace na jednotlivé fotony. Simulace pokrývá celý proces QKD, od generování kvantových stavů Alice, přenosu přes simulovaný kvantový kanál s šumem a ztrátami, měření Bobem a následnými postprocesingovými fázemi, včetně filtrování klíčů, odhadu chyb, korekce chyb, zesílení soukromí klíče a autentizace klíče. Provedeny byly rozsáhlé analýzy pro hodnocení dopadu různých zdrojů šumu a scénářů odposlechu na kvantovou chybovost bitů (QBER) a finální délku klíče.

The limiting factor for today's encryption is the inability to flawlessly detect eavesdropping and thus all encryption algorithms have to take this into account. To distribute a cryptographic key, asymmetric encryption based on discrete logarithm problem or prime factorization is being used. However, novel technologies, like the emerging field of quantum computing, offer algorithms, which can efficiently solve these tasks and hence possibly break today's encryption. Moreover, this could possibly affect all encrypted data, not just after the invention of the quantum computer capable of running Shor algorithm, but also all eavesdropped encrypted data from before are vulnerable. Quantum key distribution allows detection of eavesdropping by relying on the laws of quantum mechanics, which ensures unconditionally secure distribution of a symmetric key between two parties. This thesis presents a simulation, an experimental implementation and testing of a quantum key distribution (QKD) system based on the BB84 protocol using time-phase encoding. The primary objective was to construct a practical optical setup capable of demonstrating the principles of QKD at the single-photon level. A fully integrated setup was developed, consisting of two asymmetric Mach-Zehnder interferometers divided into Alice and Bob sections connected via an optical fiber quantum channel. The Red Pitaya STEMlab 125-14 microcomputer was utilized for system control, generating trigger pulses, applying phase modulation, and performing photon detection. Extensive testing and calibration were conducted on the individual components to optimize the system performance. Classical interference measurements achieved a visibility of 45.66\%, closely approaching the theoretical maximum of 50\%. Quantum measurements at the single-photon level realized a visibility of 32.60\%, demonstrating successful interference and the ability to encode information on single photons. The simulation covers the entire QKD process, from the generation of quantum states by Alice, transmission through a simulated quantum channel with noise and losses, measurement by Bob, and subsequent post-processing stages, including key sifting, error estimation, error correction, privacy amplification, and key authentication. Extensive analyses were conducted to evaluate the impact of different noise sources and eavesdropping scenarios on the quantum bit error rate (QBER) and the final key length.