Novel schemes for QKD

Abstract

Quanten Kryptographie oder genauer gesagt Quanten-Schluessel Verteilung (Quantum Key Distribution - QKD) ist die erste Anwendung der Quantentheorie die kurz davor steht den Sprung vom Experiment zur industriellen Verwertung zu schaffen. Ermoeglicht wurde diese Erfolgsgeschichte durch zahllose theoretische und experimentelle Arbeiten innerhalb der letzten 30 Jahre. Thema dieser Arbeit sind experimentelle Fortschritte der juengsten Zeit, QKD Protokolle und Attacken auf QKD sowie eine moegliche Integration dieser quantenbasierten Technologie in die 'klassische Welt'. Die groesste Herausforderung bei dieser Zusammenfuehrung ist in drei Bereichen zu finden, naemlich die unzureichende technische Ausgereiftheit der verwendeten Hardware, die das Gebiet des 'quanten Hackens' hervorgebracht hat, QKD ueber lange Distanzen (100km und mehr) und die Integration von QKD in bereits verlegte Backbone und Access Netzwerke. Zwar werden alle drei Gebiete in dieser Arbeit behandelt, neue Erkenntnisse werden zu den beiden letzteren eroertert, da das Ausnutzen von technischen Fehlern in Hardware im Prinzip nicht mehr als ein Wettlauf zwischen Hackern und Hersteller ist, der im Prinzip schon durch hardwareunabhaengige QKD Modelle geloest wurde. Als moeglicher Ansatz zum Ueberbruecken grosser Distanzen mit QKD Technologie bietet sich die satellitenbasierte Kommunikation zwischen entfernten Punkten auf der Erde an. Zu diesem Zweck stellt diese Arbeit zwei Generationen von Lithiumniobat Wellenleitern vor, die auf spontaner parametrischer Downconversion (SPDC) und Quasi Phasen Anpassung (QPS) zur Erzeugung verschraenkter Photonenpaare basiert. Das Ziel ist die Entwicklung einer autonomen, komplett integrierten Quelle polarisationsverschraenkter Photonen im C-Band. Verglichen mit anderen Quellen ist in diesem Fall der Herstellungsprozess des Wellenleiters sowie dessen Integration in fasergebundene Optik bei einem eingeschraenkten Formfaktor (< 0,5m 2) eine zusaetzliche Herausforderung. In einem nicht fasergebundenen Aufbau wurde fuer die erste Generation von Wellenleiter eine 'Visibility' von ueber 91% und eine 'spectrale Brightness' von 10 6 Paare /(s nm W) gemessen. Bei der zweiten Generation von Wellenleitern, komplett fasergebunden, wurde hingegen nur 75% 'Visibility' and 4 ∙10 3 Paare /(s nm W) 'spectrale Brightness' erreicht. Dieser wesentlich schlechtere Wert kommt von hohen Verlusten beim Uebergang von Kristall auf Faser und ruehrt vom Anbringen der Faser auf den Wellenleiter her. Das zweite grosse Thema dieser Arbeit ist die moegliche Integration von QKD in bereits bestehende Netzwerkinfrastruktur und der damit einhergehende Einfluss starker klassischer Datensignale auf die sehr schwachen Quantensignale. Trotz erarbeiteter Konzepte die es erlauben die klassischen Kanaele zu ueberbruecken und den Quantenkanal von diesen zu trennen, muessen Beeintraechtigungen durch nichtlineare Prozesse, ueberwiegend Ramanstreuung, beruecksichtigt werden, gerade wenn alle Kanaele ueber dieselbe Faser laufen, wie es in der sogenannten Single-Feeder Methode ueblich ist. Sensible Raman Messungen bis zur Energie von Einzelphotonen, durchgefuehrt an einem 20 Kanal DWDM Netzwerk, zeigen, dass sogar ueber 200nm weg von den klassischen Daten Kanaelen ca. 10 6 photonen / (s nm) erzeugt werden. Unsere Simulationen und experimentellen Daten ergaben weiterhin, dass ein Quantenkanal durchaus in passive optische Netzwerke integrierbar ist, wenn ausreichend spektraler Abstand sowie passende Wellenlaengen und zeitliche Filter verwendet werden, die es erlauben die einzelnen Photonen vom Hintergrund zu trennen. Diese Resultate wurden mit einer Quelle polarisationsverschraenkter Photonen gemessen, bestehend aus einem ppKTP Kristall in Sagnac Konfiguration, der Photonenpaare bei 589nm und im O-Band bei 1310nm erzeugt. Damit ist es gelungen eine full-duplex Punkt zu Punkt Verbindung ueber 13.2km aufzubauen bei der sowohl klassische Signale als auch Quantensignale ueber dieselbe Faser geschickt werden. Die Erkenntnisse die in dieser Arbeit praesentiert werden zeigen die Moeglichkeiten aber auch die Grenzen von QKD sowohl fuer die Uebertragung ueber weite Strecken durch satellitenbasierte Systeme als auch fuer die Integration in optische Netzwerke. Diese Arbeit wird mithelfen Standards fuer moegliche zukuenftige Entwicklungen im Bereich QKD zu setzen. Abgesehen von dieser Arbeit wurden die Ergebnisse im Journal Optics Express (2015), den SPIE Proceedings (2016) und der CLEO Europe Konferenz (2015) sowie anderen kleineren Konferenzen vorgestellt.

Quantum cryptography or quantum key distribution (QKD) in particular is the frst application of quantum theory that is about to accomplish the leap from laboratory to industry. This story of success was enabled by plenty of theoretical and experimental research over the past 30 years. In this work current state of the art experiments, protocols and threats of QKD are discussed and a potential integration of this quantum technology into the classical world is presented. The main challenges of this merge can be summarized by three issues, namely impurities of technical devices, which enable the possibility of quantum hacking, long haul QKD between two distant parties (>100km) and an integration of quantum channels into existing backbone and access networks. Although all three problems are discussed in this thesis, new insights are given to the latter two, since the impurity of devices seems to be more of an arms race between manufacturer and hackers and is, at least theoretically, solved by device independent QKD schemes. A possible solution for long haul encryption using QKD is a satellite based communication between two remote earth-bound parties. For this purpose two generations of Lithium-Niobate waveguide crystal sources are presented that generate entangled photon pairs using spontaneous parametric down conversion (SPDC) and Quasi Phase Matching (QPM). The goal is the development of an autonomous, fully integrated source that emits polarization entangled photon pairs in the C-Band. Compared to other sources, the challenge in this case is the fabrication process of the crystal itself as well as the integration in fiber optics with a suitable small footprint for space application (< 0,5m 2). In a free space setup visibilities over 91% and a spectral brightness of 10 6 pairs /(s nm W) have been measured for the first generation waveguide source. However, for the fully integrated version of the second waveguide only 75% visibility and 4∙10 3 pairs /(s nm W) spectral brightness could be achieved due to high losses originating in the fiber bonding process. In the second topic of the thesis a possible integration of QKD into existing optical network infrastructure and the corresponding inuence of the strong classical signal on the quantum signal is discussed. Despite elaborated concepts to bypass and separate the strong classical channels from the quantum signal, nonlinear impairments mainly caused by Raman scattering have to be considered, especially in a single feeder scheme, where all signals share the same fiber. Raman measurements of a 20 Channel DWDM signal down to single photon energy levels show that even 200nm away from the classical signals 10 6 photons /(s nm) are present. Furthermore, simulations and measurements show that an integration of a quantum channel in passive optical networks is possible with a reasonable spectral distance as well as suitable filtering in the optical and temporal domain to recover the single photons from the noisy background. The results have been gained using a polarization entangled QKD source with ppKTP crystal in Sagnac configuration with photon pairs emitted at 586nm and in the O-Band at around 1310nm. Finally we were able to establish an encrypted full duplex communication with quantum and classical post-processing channel sharing a single 13.2km fiber for usage in the telecom network. The insights gained in this work demonstrate possibilities and limitations of QKD in satellite based free space long haul transmissions as well as network integration and will help to set standards for possible future QKD applications. Apart from this work the results have been published in Optical Express (2015), SPIE proceedings (2016) and CLEO Europe (2015) among other smaller conference contributions.