| Abstract | The development of quantum physics enabled significant progress in science and technology. For example, in the last decades, the field of quantum communication has matured to a stage where practical implementations outside the laboratory are possible. Quantum communication relies on fundamental physical laws and phenomena, such as the no-cloning theorem, Bell’s inequality and quantum entanglement, and involve the use of quantum key distribution (QKD) protocols to generate a secret key for encrypting information. Although QKD protocols offer theoretically absolute security, there are numerous challenges with physical implementations. One such problem is the physical distance limitation between communicating parties due to signal losses. Unlike classical communication, quantum communication does not allow the use of amplifiers to amplify the signal since they would disturb the quantum state. Although quantum repeaters would enable long-distance communication, this technology is still not mature enough for practical implementation. On the other hand, distance limitation can be overcome by using free-space signal transmission. However, this approach requires satellites and increases both the complexity and the cost of implementation. Constructing full-mesh quantum communication networks incorporating many users also poses several challenges, such as the distribution of photons to all users to create a fully connected network or changes in a quantum state through the communication medium (optical fiber or free space). Therefore, a suitable method for compensating changes in a quantum state during transmission through the medium is required. For example, if we use photons and their polarization states for QKD, a polarization compensation method is necessary. On the other hand, it is possible to use some other physical characteristic of the system to connect multiple users, such as the wavelength of photons. In this work, I present the results of research on a hybrid communication link and on fully connected networks. While demonstrating the approach with wavelength (de- )multiplexing to connect multiple users in a network, I will show that a hybrid link could serve as an interface between local networks in the light-polluted areas on the ground and long-distance links through free space. This presents a milestone in building interconnected networks into a quantum internet. The hybrid link was built with a type-II source of polarization-entangled photon pairs adapted for quantum communication between a user on the ground and a user in free space. To build quantum networks with four and six users, we used a type-0 source. In addition to the successfully established quantum communication with both sources, we have shown that the source of polarization-entangled photons itself can be used for the polarization compensation process without the need for an additional apparatus including an extra laser. Furthermore, we compared four methods for polarization compensation on quantum networks and realized the first compensation of a quantum state on an active network, proving that communication within the network does not have to stop during the polarization compensation process. The results of experimental research of polarization compensation in full-mesh quantum networks represent the main part of this thesis and are described in a published paper: Peranić, M., Clark, M., Wang, R. et al. A study of polarization compensation for quantum networks. EPJ Quantum Technol. 10, 30 (2023). https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-023-00187-w |
| Abstract (english) | Razvoj kvantne fizike u 20. stoljeću omogućio je značajan napredak znanosti i tehnologije. Primjerice, područje kvantnih komunikacija, koje se oslanja na temeljne fizikalne zakone i pojave kao što su ”no-cloning” teorem, Bellove nejednakosti i kvantno sprezanje, doživjelo je realizaciju i izvan okvira znanstvenih laboratorija. Kvantna komunikacija se temelji na protokolima kvantne distribucije ključeva kojima se generiraju tajni ključevi za enkripciju informacija. Iako ti protokoli pružaju matematički apsolutnu sigurnost, prilikom njihove implementacije susrećemo se s nizom problema. Jedan od njih je ograničenje udaljenosti između dva korisnika zbog gubitaka prilikom korištenja optičkih kablova. Također, prisutan je i problem skaliranja komunikacije s dva na veći broj korisnika u kvantnu komunikacijsku mrežu u kojoj su svi korisnici međusobno istovremeno povezani. Za razliku od klasične komunikacije, kod kvantne komunikacije nije moguće upotrebljavati pojačala signala jer bi to podrazumijevalo izvršenje mjerenja čime bi se utjecalo na kvantno stanje fotona. Kako bi se zaobišao problem gubitaka u optičkim vlaknima, signal se može slati kroz slobodan prostor. Iako taj pristup omogućuje komunikaciju na veće udaljenosti, on zahtjeva upotrebu satelita što ga čini tehnološki zahtjevnim i skupim te dolazi do gubitaka prilikom prolaska fotona kroz atmosferu. Prilikom izgradnje kvantnih mreža također nailazimo na nekoliko problematičnih aspekata kao što je potreba za pouzdanim čvorovima (engl. trusted nodes) koji su potencijalna sigurnosna opasnost ili primjena aktivnih preusmjeravanja (engl. active switching), koja ograničavaju i funkcionalnost i povezivost. Za umrežavanje većeg broja korisnika u kvantnoj komunikaciji može se koristiti neko dodatno svojstvo, primjerice, valna duljina fotona. Bez obzira na broj korisnika te koji medij koristili za transmisiju, moramo osigurati da ”signal” (kvantno stanje) nepromijenjen stigne od izvora (pošiljatelja) do primatelja. Stoga, ukoliko se za generiranje sigurnosnog ključa koriste fotoni i njihova stanja polarizacije, potrebna je prikladna metoda kompenzacije promjena stanja polarizacije tijekom fizičke transmisije kroz medij, bilo to optičko vlakno ili zrak. U ovom radu predstavljam rezultate istraživanja na hibridnom komunikacijskom linku te na potpuno povezanim kvantnim mrežama. Hibridni link predstavlja sponu između jednog korisnika na zemlji te drugog u zraku, tj. između lokalnih mreža na zemlji i dugih linkova kroz slobodni prostor. Time čine neizostavnu poveznicu prilikom umrežavanja kvantnih mreža u kvantni internet. Hibridni link je realiziran s izvorom polarizacijski spregnutih fotona tipa II prilagodenim za kvantnu komunikaciju između korisnika na zemlji i u zraku. S druge strane, za realizaciju kvantnih komunikacijskih mreža s četiri i šest korisnika povezanih optičkim vlaknima korišten je izvor tipa 0 širokog spektra. Osim izvora parova spregnutih fotona, u sklopu ovog rada sagrađeni su i korisnički moduli koji omogućuju potpuno pasivnu analizu polarizacije dolaznih fotona. Karakterizacija izvora tipa II polarizacijski spregnutih fotona na valnoj duljini od 810 nm pokazala je efikasnost (engl. heralding efficiency) od (24.7 _ 0.3)% te prosječnu vidljivost (engl. entanglement visibility) iznad 99%. Za uspostavu kvantne komunikacije između jednog korisnika na zemlji i drugog u zraku, iskoristili smo optičko vlakno kakvo se uobičajeno koristi u klasičnoj komunikaciji te dodatno vlakno za filtriranje prostornih modova viših redova prema korisniku ”na zemlji”, dok smo signal prema drugom korisniku slali kroz slobodan prostor (zrak). Oba korisnika su koristila izrađene module za analizu polarizacije prilagođene za valnu duljinu od 810 nm. Prije uspostave komunikacije, primijenili smo dvije metode kompenzacije polarizacije - prvu koristeći dodatnu valnu pločicu unutar samog izvora te drugu upotrebom polarizatora ispred vlakana za prikupljanje fotona. Kako bismo potvrdili uspješno uspostavljenu vezu, mjerili smo parametar pogreške, tzv. QBER (engl. quantum bit error rate) koji uključuje doprinos od nesavr šenih detektora, izvora i ostalih hardverskih nesavršenosti, ali i eventualni doprinos koji nastaje zbog pokušaja prisluškivanja komunikacije. S obzirom na to da se razli čiti doprinosi ne mogu razlikovati, sve ih pripisujemo potencijalnom prisluškivaču. Iznos QBER parametra ispod 11% osigurava sigurnu kvantnu komunikacijsku vezu. Pomoću navedenih metoda kompenzacije polarizacije izmjereni QBER iznosio je (6.6 _ 0.1%) i (5.4 _ 0.2%). Time smo dokazali da se predložene metode kompenzacije polarizacije mogu uspješno primijeniti pri uspostavi kvantne komunikacije. Za razliku od uobičajenih metoda koje koriste dodatni laser s prethodno pripremljenim stanjem polarizacije, ovim smo rezultatom dokazali da se i sam izvor parova spregnutih fotona može koristiti u procesu kompenzacije, bez potrebe za dodatnim laserom. Dok smo izvor tipa II koristili za povezivanje dvaju korisnika, izvor tipa 0 omogućuje konstrukciju kvantne mreže sa većim brojem korisnika u kojoj su svi medusobno povezani (engl. full-mesh network) distribuiranjem parova spregnutih fotona valnih duljina simetričnih oko centralne valne duljine. Sagradili smo mrežu sa šest korisnika od kojih su svi korisnici od izvora udaljeni 1.6 km, osim jednog korisnika koji je bio udaljen 5.6 km. Gubitci u optičkim vlaknima na navedenim linkovima iznosili su od 8.1 dB do 15.1 dB za najudaljenijeg korisnika. Mjerenje tajnog ključa tijekom vremena dužeg od 6 dana pokazalo je stabilnost mreže i robusnost na prekide rada mreže koji su bili nužni zbog hlađenja supravodljivih detektora te prekida koji se dogodio uslijed nepređvidenog nestanka struje. Testirali smo i dvije konfiguracije mreže u kojima su određeni korisnici povezani samo u određenom razdoblju tijekom kojeg akumuliraju tajni ključ. Rezultati pokazuju da djelomično povezane konfiguracije generiraju manju količinu ključa od potpuno povezane mreže koristeći izvor s efikasnošću iznad 10%, dok je za izvore sa niskom efikasnošću situacija obrnuta. Usporedili smo četiri metode kompenzacije polarizacije na primjeru mreže s četiri korisnika. Pokazali smo da je moguće provoditi kompenzaciju polarizacije upotrebom samog izvora parova spregnutih fotona, bez potrebe za prekidanjem rada mreže i bez korištenja dodatnog lasera. Ovaj rezultat je značajan jer pokazuje da se metoda u kojoj se prati iznos QBER-a može provoditi na aktivnoj mreži, bez zaustavljanja zbog procesa kompenzacije polarizacije, što je prva takva realizacija u svijetu. Također, u usporedbi s klasičnom metodom čija provedba u prosjeku traje 14 minuta za jedan link, ova metoda traje znatno kraće, samo 2 minute u prosjeku, što može znatno skratiti vrijeme kompenzacije kod mreža s velikim brojem korisnika. Također je važno napomenuti da je, unatoč bržoj provedbi, sigurnost mreže usporediva sa sigurnošću nakon provedbe kompenzacije klasičnom metodom. Dodatni iskorak bi se mogao postići kombinacijom motoriziranih kontrolera polarizacije s nekom od bržih metoda. Rezultati istraživanja metoda kompenzacije polarizacije na kvantnoj mreži predstavljaju glavni samostalni doprinos ovom radu te su objavljeni u radu: Peranić, M., Clark, M., Wang, R. et al. A study of polarization compensation for quantum networks. EPJ Quantum Technol. 10, 30 (2023). https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-023- 00187-w |
