Quantum Key Distribution is the first quantum information task to reach the level of mature technology, already fit for commercialization. It aims at the creation of a secret key between authorized partners connected by a quantum channel and a classical authenticated channel. The security of the key can in principle be guaranteed without putting any restriction on an eavesdropper's power. Since, in general, non-orthogonal states cannot be cloned, any eavesdropping attempt in a Quantum Communication scheme using non-orthogonal states as carriers of information introduces some errors in the transmission, leading to the possibility of detecting the spy. Usually, orthogonal states are not used in Quantum Cryptography schemes since they can be faithfully cloned without altering the transmitted data. Nevertheless, L. Goldberg and L. Vaidman [Phys. Rev. Lett. 75 (1995) 1239] proposed a protocol in which, even if the data exchange is realized using two orthogonal states, any attempt to eavesdrop is detectable by the legal users. In this scheme the orthogonal states are superpositions of two localized wave packets traveling along separate channels. In this thesis work I present an experiment realizing this scheme. Therefore, we have realized the first experimental proof-of-principle of Quantum Communication based on orthogonal states. In order to achieve this, we have realized a heralded single photon sources based on spontaneous parametric down conversion, a stable interferometric systems (Mach-Zehnder Interferometer) for single photon application and a data acquisition and processing system. Our results demonstrate the possibility of achieving a secure QKD transmission based on orthogonal state with a Quantum Bit Error Rate comparable with more common QKD systems, therefore, it provides a significant hint to the discussion on the minimal quantum resources necessary for the implementation of quantum tasks overcoming classical limits. [Proc. SPIE, Vol. 7702, 77020E (2010)], [arXiv:1007.2588v1 [quant-ph] 15 Jul 2010].
La Quantum Key Distribution è l'insieme delle tecniche che permettono di creare una chiave segreta e distribuirla tra gli utenti legali di un sistema crittografico, connessi attraverso un canale quantistico e un canale classico autenticato. Tale sistema essendo basato sulle leggi della meccanica quantistica garantisce la segretezza della chiave indipendentemente dalla tecnologia utilizzata da un eventuale spia. In generale, non è possibile copiare stati quantistici non-ortogonali senza perturbare lo stato originale. Pertanto, ogni tentativo di spiare un sistema di comunicazione quantistico basato sulla codifica dell'informazione su stati non-ortogonali introduce errori nella trasmissione, per cui la spia può sempre essere individuata. Tipicamente, gli stati ortogonali non sono utilizzati nella CQ in quanto possono essere copiati senza alterazione della trasmissione dei dati. Tuttavia, L. Goldberg and L. Vaidman [Phys. Rev. Lett. 75 (1995) 1239] proposero un protocollo in cui, anche se lo scambio dei dati è realizzato utilizzando due stati ortogonali, qualunque tentativo di spionaggio è rivelabile dagli utenti legali. In tale protocollo gli stati ortogonali sono sovrapposizioni di due pacchetti d'onda che viaggiano lungo canali separati. In questo lavoro di tesi viene presentato un esperimento in cui è stato realizzato tale sistema di comunicazione. Di fatto, dunque, è stata effettuata la prima prova sperimentale di comunicazione quantistica basata su stati ortogonali. Per tale esperimento è stato necessario realizzare una sorgente di singoli fotoni heralded basata sulla parametric down conversion, un sistema interferometrico stabile (di tipo Mach-Zehnder) per applicazioni a singolo fotone, un sistema di acquisizione ed elaborazione dei dati. I risultati ottenuti dimostrano la possibilità di realizzare un sistema di QKD basato su stati ortogonali, con un Quantum Bit Error Rate compatibile con i più diffusi sistemi sicuri di CQ. Questo fornisce un ulteriore passo verso la ricerca delle minime risorse necessarie alla implementazione di progetti di CQ che superino le limitazioni classiche [Proc. SPIE, Vol. 7702, 77020E (2010)], [arXiv:1007.2588v1 [quant-ph] 15 Jul 2010].
Crittografia quantistica sperimentale basata su stati ortogonali
AVELLA, ALESSIO
2009/2010
Abstract
La Quantum Key Distribution è l'insieme delle tecniche che permettono di creare una chiave segreta e distribuirla tra gli utenti legali di un sistema crittografico, connessi attraverso un canale quantistico e un canale classico autenticato. Tale sistema essendo basato sulle leggi della meccanica quantistica garantisce la segretezza della chiave indipendentemente dalla tecnologia utilizzata da un eventuale spia. In generale, non è possibile copiare stati quantistici non-ortogonali senza perturbare lo stato originale. Pertanto, ogni tentativo di spiare un sistema di comunicazione quantistico basato sulla codifica dell'informazione su stati non-ortogonali introduce errori nella trasmissione, per cui la spia può sempre essere individuata. Tipicamente, gli stati ortogonali non sono utilizzati nella CQ in quanto possono essere copiati senza alterazione della trasmissione dei dati. Tuttavia, L. Goldberg and L. Vaidman [Phys. Rev. Lett. 75 (1995) 1239] proposero un protocollo in cui, anche se lo scambio dei dati è realizzato utilizzando due stati ortogonali, qualunque tentativo di spionaggio è rivelabile dagli utenti legali. In tale protocollo gli stati ortogonali sono sovrapposizioni di due pacchetti d'onda che viaggiano lungo canali separati. In questo lavoro di tesi viene presentato un esperimento in cui è stato realizzato tale sistema di comunicazione. Di fatto, dunque, è stata effettuata la prima prova sperimentale di comunicazione quantistica basata su stati ortogonali. Per tale esperimento è stato necessario realizzare una sorgente di singoli fotoni heralded basata sulla parametric down conversion, un sistema interferometrico stabile (di tipo Mach-Zehnder) per applicazioni a singolo fotone, un sistema di acquisizione ed elaborazione dei dati. I risultati ottenuti dimostrano la possibilità di realizzare un sistema di QKD basato su stati ortogonali, con un Quantum Bit Error Rate compatibile con i più diffusi sistemi sicuri di CQ. Questo fornisce un ulteriore passo verso la ricerca delle minime risorse necessarie alla implementazione di progetti di CQ che superino le limitazioni classiche [Proc. SPIE, Vol. 7702, 77020E (2010)], [arXiv:1007.2588v1 [quant-ph] 15 Jul 2010].| File | Dimensione | Formato | |
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