Synchronization of quantum key distribution in wavelength-division multiplexing liber-optic systems

Encryption protocols employed nowadays provide computational security, since they are based on the difficulty of solving certain mathematical problems like the discrete logarithms or the factoring of a large integer number. This mathematical based cryptography is endangered by quantum computers, capable of executing proper computer algorithms (like the Shor algorithm) that can break these security protocols. A promising solution against this threat is the Quantum Key Distribution (QKD) that guarantees unconditional security, that is against any attack, even in case of an adversary with unlimited computational resources and using a quantum computer, because QKD is based on physical principles. The most important problem about QKD is its integration with already existing classical wavelength-division multiplexing (WDM) optical networks. In particular, in most implementations of quantum communications, a quantum signal needs, because of its nature, a classical signal for the correct synchronization. So, to have a working quantum channel in an optical fiber, a wavelength channel must be subtracted from the fiber's available WDM channels. In this thesis, a new time-division multiplexing (TDM) framing sequence for synchronization purposes is introduced to implement the BB84 protocol encoded in polarization. Specifically, this new proposal allows the receiver of the quantum communication to correctly retrieve the polarization reference employed by the transmitter and to optimally synchronize the detection apparatus. The issues about the Rayleigh backscattering and the imperfections of the timing signals generated by the electronic acquisition boards (DAQs) controlling the system are taken in account, to obtain an effective transmission rate up to tens of MHz.

I protocolli di cifratura impiegati oggi forniscono una sicurezza di tipo computazionale, dato che si basano sulla difficoltà di risolvere alcuni problemi matematici come i logaritmi discreti o la fattorizzazione di un grande numero intero. Questo tipo di crittografia è messa in pericolo dall'avvento dei computer quantistici, capaci di eseguire opportuni algoritmi quantistici (come l'algoritmo di Shor) in grado di compromettere la sicurezza di questi protocolli. Una promettente soluzione contro questa minaccia è la distribuzioe di chiavi quantistiche (Quantum Key Distribution - QKD) che garantisce sicurezza incondizionata, ovvero contro qualsiasi avversario, anche con illimitate risorse computazionali ed usando un computer quantistico, perché è basata su principi fisici. Il problema più importante della QKD è la sua integrazione con reti ottiche classiche già esistenti con multiplazione a divisione di lunghezza d'onda (WDM). In particolare, in molte implementazioni di comunicazioni quantistiche, un segnale quantistico ha bisogno, a causa della sua natura, di un segnale classico per ottenere la corretta sincronizzazione. Perciò, per avere un canale quantistico funzionante in fibra ottica, un canale di lunghezza d'onda deve essere sottratto dai canali WDM disponibili della fibra. In questa tesi, una nuova sequenza di frame con multiplazione a divisione di tempo (TDM) è introdotta a fini di sicronizzazione in modo da implementare il protocollo BB84 codificato in polarizzazione. Specificatamente, questa nuova proposta permette al ricevitore della comunicazione quantistica di ricavare correttamente il riferimento di polarizzazione utilizzato dal trasmettitore e di sincronizzare in modo ottimale l'apparato di ricezione. I problemi dovuti al Rayleigh backscattering e alle imperfezioni dei segnali di sincronizzazione generati dalle schede elettroniche di acquisizione (DAQ) che controllano il sistema sono presi in considerazione, per ottenere un rate effettivo di trasmissione fino a decine di MHz.