Quantum Key Distribution in multicore fibers

Quantum key distribution (QKD) offers a solution to the threat that the uprising computational capacity and the development of new algorithms, especially quantum algorithms that can be executed in a next future by quantum computers, represent for the classical cryptography. Its security is based on the principles of quantum physics such as the Heisenberg uncertainty principle. However, nowadays the quantum key distribution has been implemented mainly on dedicated dark fibers, in which only the QKD signal is transmitted. Multicore fibers are a good candidate both for the increasing capacity demand and for the co-existence of classical channels and quantum signals: space-division multiplexing (SDM) increments considerably the transmission capacity and makes the separation of classical and quantum signals possible by positioning them into different cores. In this elaborate, the co-existence in multicore fibers is analysed and the main impairments are presented. In particular, two multicore fibers (19 and 4 cores) are characterized: firstly their attenuation profile in various bands has been studied, then the analysis moved to the inter-core crosstalk and to the intra- and inter-core Spontaneous Raman Scattering. To overcome to these obstacles some solutions are proposed, for example to leave free some cores and use them as "guard cores" or to use a side core, that has fewer neighbours. Furthermore, for the 4 core fiber, the performances of a QKD prototype are tested, by inserting 40 wavelength-division multiplexing (WDM) channels in C-band into the same core of the QKD signal or a different core, while the QKD signal is moved in O-band. These performances are experimentally evaluated and compared with the ones obtained by a simulation tool implemented via MATLAB, in which it is possible to simulate different configurations and setups for the transmission.

La distribuzione a chiave quantistica (QKD) offre una soluzione alla minaccia che la sempre più elevata capacità computazionale e lo sviluppo di nuovi algoritmi, in particolare gli algoritmi quantistici che potranno essere implementati in un prossimo futuro in computer quantistici, rappresentano per la crittografia classica. La QKD basa la sua sicurezza sui principi fondamentali della fisica quantistica. Tuttavia, ad oggi, essa è possibile solo su fibre ottiche dedicate. Le fibre multicore potranno rappresentare un fattore di svolta sia nelle comunicazioni classiche che nella coesistenza classica-quantistica: la multiplazione spaziale (SDM) consente di aumentare notevolmente la capacità di trasmissione e di separare in modo efficiente i canali classici ed il canale quantistico posizionandoli su diversi core. In questo elaborato viene studiata la coesistenza tra QKD e comunicazioni classiche. In particolare è stata effettuata la caratterizzazione di una fibra a 19 core ed una seconda fibra a 4 core, studiandone dapprima il profilo di attenuazione in varie bande ed in seguito i principali problemi di questi sistemi: il crosstalk tra i vari core e lo scattering Raman spontaneo sia intracore che intercore. Varie soluzioni, come il posizionamento del segnale quantistico in un core laterale o l'utilizzo di alcuni core di guardia, sono proposte all'interno dell'elaborato. Per la fibra da 4 core, sono state studiate le prestazioni tramite un prototipo QKD, inserendo 40 canali multiplati a divisione di lunghezza d'onda (WDM) in banda C in vari scenari e spostando il segnale quantistico in banda O. Un tool simulativo in MATLAB è stato sviluppato per studiare le performance delle varie configurazioni in entrambe le fibre, e per validare la veridicità delle misure del prototipo per la fibra da 4 core.