Integrated photonic transmitters for secure space quantum communication

Abstract

An important issue in today's information society is the security of data transmission against potential intruders, which always put at risk the confidentiality. Current methods to increase security require that the two parties wishing to transmit information, exchange or share one or more security keys. Once the key has been identified, the information can be transferred in a provable secure way using a one-time pad, i. e. the key length is as long as the plaintext. Therefore, the security of the information transmission is based exclusively on the security of the key exchange. Quantum cryptography, or more precisely quantum key distribution (QKD), guarantees absolutely secure key distribution based on the principles of quantum physics, according to which it is not possible to measure or reproduce a state (e.g. polarization or phase of a photon) without being detected. The key is generated out from the measurement of the information encoded into specific quantum states of a photon, named qubits. For example, a qubit can be created using properties such as the polarization or the phase of a photon.

Achieved goals of this thesis are the development of a new class of high speed integrated photonic sources for applications in quantum key distribution systems, capable of producing unprecedented qubit rates (100 Mbps - 1 Gbps) and transmitting those over larger distances than those achieved so far (>200 km). More specifically the work has been focused on developing faint pulse sources which can be used in very demanding environmental conditions, such as those in Space. For the development of these sources, apart from the optical design, essential is the opto-mechanical engineering as well as the integration with the electronics. One of the objectives was to achieve very high level of integration and power efficiency, e.g. volumes and power consumption between 10 and 100 times smaller than those typical of a laboratory experiment. Moreover, work in related parts of a whole QKD transmission system has been carried out. In particular, a new scheme for a compact, fast and simple random number generator has been demonstrated successfully achieving a random number generation rate of 1.1 Gbps. Also, during the course of this thesis, the development and engineering of a free-space QKD optical link has been initiated.

This thesis makes use of novel ideas to alternatively demonstrate proof-of-concept experiments, which could then further develop into commercial products. To this end, close collaborations with world-wide leading companies in the field have been established. The Optoelectronics Group at ICFO has been involved in current European Space Agency (ESA) projects to develop a small footprint and low power consumption quantum transceiver and a high-flux entangled photon source.

En l’actual societat del coneixement és important la seguretat en la transmissió de dades contra potencial intrusos, els quals sempre posen en risc la confidencialitat. Mètodes actuals per incrementar la seguretat requereixen que les dos parts que volen transmetre informació, intercanviïn o comparteixin una o més claus. Una vegada la clau ha estat identificada, la informació pot ser transferida de forma provadament segura utilitzant ”‘one-time pad”’. Per tant, la seguretat en la transmissió de la informació es basa exclusivament en la seguretat en l’intercanvi de la clau. La criptografia quàntica, o més precisament distribució de clau quàntica (QKD), garanteix absolutament la seguretat de la distribució de la clau basant-se en els principis de la física quàntica, segons la qual no és possible mesurar o reproduir un estat (p. e. la polarització o fase d’un fotó) sense ser detectat. La clau es genera a partir de les mesures de la informació codificada en estat quàntics del fotó, anomenats qubits. Per exemple, un qubit pot ser creat utilitzant propietats com la polarització o fase d’un fotó. Els objectius aconseguits d’aquesta tesis són el desenvolupament d’una nova classe d’emissors fotònics d’alta velocitat per a aplicacions en sistemes de distribució de clau quàntica, capaç¸os de produir velocitats de qubit sense precedents (100 Mbps - 1 Gbps) i transmetre’ls a través de distàncies més llunyanes que les aconseguides fins ara (> 200 Km). Més en concret el treball s’ha centrat en el desenvolupament de fonts de pulsos atenuats que poden ser usades en condicions ambientals molt extremes, com les presents a l’Espai. Per al desenvolupament d’aquestes fonts, apart del disseny òptic, importantíssim es l’enginyeria optomecànica com també la integració amb la electrònica. Un dels objectius ha estat aconseguir un molt alt nivell de integració i eficiència de potència, p. e. volums i consums de potència entre 10 i 100 vegades més petits que els típics en experiments de laboratori. Ademés, s’ha realitzat treball en altres parts relacionades amb un sistema de transmissió QKD. En particular, un nou esquema per a un generador de números aleatori compacte, ràpid i simple ha estat positivament demostrat aconseguint velocitats de generació de números aleatoris de 1:1 Gbps. També, el desenvolupament i enginyeria d’un enllaç òptic per a QKD en espai lliure ha estat iniciat durant aquesta tesis. Aquesta tesis utilitza idees novedoses per a demostrar experiments de prova de concepte, els quals poden esdevenir en productes comercials. Per a aquest fi, s’han establert col•laboracions amb empreses internacionals líders del sector. A més a més, el Grup d’Optoelectrònica de ICFO ha estat involucrat en projectes de la Agència Espacial Europea (ESA) per a desenvolupar un transceptor quàntic de tamany reduït i baix consum de potència, el qual també conté una font de fotons entrellaçts d’alt flux.