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A Quantum Hub for Star-Shaped Quantum Key Distribution Networks

Fitzke, Erik (2024)
A Quantum Hub for Star-Shaped Quantum Key Distribution Networks.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026505
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Recent advances in the field of classical computing and quantum computing enable new attacks on today's public-key cryptography. Therefore, an essential goal of cybersecurity research is to develop new, future-proof cybersecurity solutions.

Quantum key distribution (QKD) is a method to distribute symmetric digital cryptographic keys between two users by using principles of quantum physics, enabling the information-theoretically secure exchange of encrypted messages. Fundamental principles of quantum physics ensure that the QKD users detect every attempt by a third party to obtain a copy of the key. However, for many applications, secure connections between two users are insufficient, so larger networks for multiple users are required. On the way to the widespread use of QKD, laboratory experiments under controllable environmental conditions are only the first step, and tests under realistic operating conditions are required to demonstrate the reliability of the systems.

Therefore, the goals of the research presented in this thesis are to develop a multi-user QKD network, to demonstrate its reliability and flexibility in a field test, and to develop detailed models of this system taking the relevant setup imperfections into account.

The multi-user QKD network is implemented as a star-shaped network with a central quantum key hub (q-hub), enabling simultaneous and independent distribution of quantum keys to multiple pairs of users with distances up to 100 km between the users. In contrast to other QKD networks, the q-hub system uses a polarization-insensitive QKD protocol based on quantum-entangled photon pairs in combination with wavelength demultiplexing to enable robust key transmissions. Therefore, the q-hub system is well suited to implement QKD networks in urban areas or for other applications where the optical fiber transmission links are exposed to the weather or vibrations which may lead to polarization instabilities.

The first part of this thesis presents the implementation and performance evaluation of a q-hub network with four users. The QKD receivers of the users are synchronized with a precision better than 100 ps by using a new method for clock recovery from the arrival times of the photons for which a patent is pending. The compactness and flexibility of the QKD system required for real-world applications are proven in a field test at a facility of the Deutsche Telekom company. This field test was the first field test of a multi-user QKD network based on the Bennett-Brassard-Mermin 1992 (BBM92) time bin QKD protocol. Stable key distribution over more than three days is demonstrated for fiber lengths of more than 100 km between two users, including 27 km of fiber deployed in the field. Dozens of users could be readily connected to the network if the required number of QKD receivers were built. Finally, a photonic integrated circuit is designed as a first step towards an even more compact q-hub, and on-chip photon pair generation is demonstrated.

The second part of this thesis presents detailed numerical models of the q-hub system. A new method for the time-dependent tomographic characterization of single-photon detectors in terms of positive operator-valued measures (POVMs) is presented and applied to characterize the detectors employed in the QKD system.

Furthermore, a general method for the photon-number-resolved simulation of multi-mode quantum-optical setups with Gaussian states is developed. A key result is the derivation of the generating function for the photon statistics, from which the photon number distribution and its moments and factorial moments are computed by automatic differentiation. One of the strengths of this simulation method is the flexibility to include effects from various kinds of setup imperfections in simulations of quantum-optical setups.

Finally, a frequency-resolved simulation of the QKD system is developed by generalizing the covariance formalism of Gaussian states to a continuum of frequencies. The simulation results match the measurements to a high degree, allowing for a realistic prediction of the setup performance. The simulation will enable performance optimizations and cost reductions for the development of future QKD networks.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Fitzke, Erik
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: A Quantum Hub for Star-Shaped Quantum Key Distribution Networks
Sprache: Englisch
Referenten: Walther, Prof. Dr. Thomas ; Birkl, Prof. Dr. Gerhard
Publikationsjahr: 30 Januar 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: xix, 257 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 13 Dezember 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026505
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26505
Kurzbeschreibung (Abstract):

Recent advances in the field of classical computing and quantum computing enable new attacks on today's public-key cryptography. Therefore, an essential goal of cybersecurity research is to develop new, future-proof cybersecurity solutions.

Quantum key distribution (QKD) is a method to distribute symmetric digital cryptographic keys between two users by using principles of quantum physics, enabling the information-theoretically secure exchange of encrypted messages. Fundamental principles of quantum physics ensure that the QKD users detect every attempt by a third party to obtain a copy of the key. However, for many applications, secure connections between two users are insufficient, so larger networks for multiple users are required. On the way to the widespread use of QKD, laboratory experiments under controllable environmental conditions are only the first step, and tests under realistic operating conditions are required to demonstrate the reliability of the systems.

Therefore, the goals of the research presented in this thesis are to develop a multi-user QKD network, to demonstrate its reliability and flexibility in a field test, and to develop detailed models of this system taking the relevant setup imperfections into account.

The multi-user QKD network is implemented as a star-shaped network with a central quantum key hub (q-hub), enabling simultaneous and independent distribution of quantum keys to multiple pairs of users with distances up to 100 km between the users. In contrast to other QKD networks, the q-hub system uses a polarization-insensitive QKD protocol based on quantum-entangled photon pairs in combination with wavelength demultiplexing to enable robust key transmissions. Therefore, the q-hub system is well suited to implement QKD networks in urban areas or for other applications where the optical fiber transmission links are exposed to the weather or vibrations which may lead to polarization instabilities.

The first part of this thesis presents the implementation and performance evaluation of a q-hub network with four users. The QKD receivers of the users are synchronized with a precision better than 100 ps by using a new method for clock recovery from the arrival times of the photons for which a patent is pending. The compactness and flexibility of the QKD system required for real-world applications are proven in a field test at a facility of the Deutsche Telekom company. This field test was the first field test of a multi-user QKD network based on the Bennett-Brassard-Mermin 1992 (BBM92) time bin QKD protocol. Stable key distribution over more than three days is demonstrated for fiber lengths of more than 100 km between two users, including 27 km of fiber deployed in the field. Dozens of users could be readily connected to the network if the required number of QKD receivers were built. Finally, a photonic integrated circuit is designed as a first step towards an even more compact q-hub, and on-chip photon pair generation is demonstrated.

The second part of this thesis presents detailed numerical models of the q-hub system. A new method for the time-dependent tomographic characterization of single-photon detectors in terms of positive operator-valued measures (POVMs) is presented and applied to characterize the detectors employed in the QKD system.

Furthermore, a general method for the photon-number-resolved simulation of multi-mode quantum-optical setups with Gaussian states is developed. A key result is the derivation of the generating function for the photon statistics, from which the photon number distribution and its moments and factorial moments are computed by automatic differentiation. One of the strengths of this simulation method is the flexibility to include effects from various kinds of setup imperfections in simulations of quantum-optical setups.

Finally, a frequency-resolved simulation of the QKD system is developed by generalizing the covariance formalism of Gaussian states to a continuum of frequencies. The simulation results match the measurements to a high degree, allowing for a realistic prediction of the setup performance. The simulation will enable performance optimizations and cost reductions for the development of future QKD networks.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Durch Fortschritte im Bereich der klassischen Computer und der Quantencomputer werden neue Angriffe auf die heute genutzten Verfahren der asymmetrischen Kryptographie möglich. Ein wichtiges Ziel der Cybersicherheitsforschung ist es daher, neue, zukunftsfähige Sicherheitslösungen zu entwickeln.

Quantenschlüsselaustausch (eng.: quantum key distribution, kurz QKD) ist eine Methode zur Verteilung symmetrischer digitaler kryptographischer Schlüssel zwischen zwei Nutzern basierend auf Prinzipien der Quantenphysik, welche den informationstheoretisch sicheren Austausch verschlüsselter Nachrichten ermöglicht. Grundlegende quantenphysikalische Prinzipien gewährleisten, dass jeder Versuch eines Dritten, eine Kopie des Schlüssels zu erhalten, von den QKD-Nutzern erkannt wird. Für viele Anwendungen sind sichere Verbindungen zwischen zwei Nutzern nicht ausreichend und es werden stattdessen größere QKD Netze für mehrere Nutzer benötigt. Auf dem Weg zu einem großflächigen Einsatz von QKD sind Laborexperimente unter kontrollierbaren Umgebungsbedingungen immer nur der erste Schritt. Tests der Systeme unter realistischen Betriebsbedingungen sind erforderlich, um ihre Zuverlässigkeit unter realistischen Einsatzbedingungen zu demonstrieren. Daher sind die Ziele der in dieser Arbeit vorgestellten Forschung die Entwicklung eines Multi-User-QKD-Netzwerks, die Demonstration seiner Zuverlässigkeit und Flexibilität in einem Feldtest und sowie die Entwicklung detaillierter Modelle dieses Systems, welche die relevanten Imperfektionen des Aufbaus berücksichtigen.

Das Multi-User-QKD-Netzwerk wurde als sternförmiges Netzwerk mit einem zentralen quantum key hub (q-hub) implementiert, der die gleichzeitige und unabhängige Verteilung von Quantenschlüsseln an mehrere Nutzerpaare über optische Fasern über Distanzen bis zu 100 km zwischen den Nutzern ermöglicht. Im Gegensatz zu anderen QKD-Netzwerken verwendet das q-hub System ein polarisationsunabhängiges QKD-Protokoll basierend auf quantenverschränkten Photonenpaaren in Kombination mit Wellenlängen-Demultiplexing, um robuste Schlüsselübertragungen zu ermöglichen. Das q-hub System ist daher gut zur Implementierung von QKD-Netzwerken in städtischen Gebieten oder für andere Anwendungsszenarien geeignet, bei denen die Glasfaserübertragungsstrecken dem Wetter oder Vibrationen ausgesetzt sind, was zu Polarisationsänderungen führen kann.

Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Implementierung eines QKD-Netzwerks mit vier Nutzern vorgestellt und seine Leistungsfähigkeit evaluiert. Die QKD-Empfänger der Nutzer werden mit Hilfe einer neuen Methode zur Taktrückgewinnung aus den Ankunftszeiten der Photonen synchronisiert, wobei Genauigkeiten besser als 100 ps erzielt werden. Diese Methode ist zum Patent eingereicht. Die Kompaktheit und Flexibilität des QKD-Systems für reale Anwendungen wurden in einem Feldtest an einem Standort der Deutschen Telekom demonstriert. Dieser Feldtest war der erste Feldtest eines Multi-User-QKD-Netzwerks, das auf dem Bennett-Brassard-Mermin 1992 (BBM92) Time-Bin-QKD-Protokoll basiert. Ein mehr als drei Tage dauernder stabiler Schlüsselaustausch über Glasfaserlängen von mehr als 100 km zwischen zwei Nutzern wurde demonstriert. Von der Faserstrecke sind ca. 27 km im Feld verlegt. Dutzende von Nutzern könnten ohne weiteres an das Netzwerk angeschlossen werden, wenn die entsprechende Anzahl and QKD-Empfängern gebaut würde. Als erster Schritt zu einem noch kompakteren q-hub wurde ein integrierter photonischer Chip entworfen und die Erzeugung von Photonenpaaren mittels dieses Chips wurde demonstriert.

Im zweiten Teil dieser Arbeit werden detaillierte numerische Modellierungen des q-hub Systems vorgestellt. Eine neue Methode zur zeitabhängigen Detektortomographie mittels sogenannter positive operator-valued measures (POVMs) wird vorgestellt und zur Charakterisierung der im QKD-System verwendeten Detektoren verwendet.

Darüber hinaus wird eine allgemeine Methode für die photonenzahlaufgelöste Simulation von quantenoptischen Experimenten mit Gaußschen Multimode-Zuständen entwickelt. Ein wesentliches Ergebnis ist die Herleitung der erzeugenden Funktion für die Photonenstatistik, aus der die Photonenzahlverteilung sowie deren Momente und faktorielle Momente durch sogenanntes automatisches Differenzieren berechnet werden. Eine der Stärken dieser Simulationsmethode ist die Flexibilität, die es erlaubt, Effekte von verschiedenen Arten von Imperfektionen bei der Simulation verschiedenster quantenoptischer Aufbauten zu berücksichtigen.

Schließlich wird eine frequenzaufgelöste Simulation des QKD-Systems entwickelt, indem der Kovarianzformalismus der Gaußschen Zustände auf ein Kontinuum von Frequenzen verallgemeinert wird. Die Simulationsergebnisse stimmen in hohem Maße mit den Messungen überein und erlauben damit realistische Vorhersagen zur Leistungsfähigkeit des Systems. Die Simulation wird die Optimierung der Leistungsfähigkeit und die Reduktion der Kosten bei der Entwicklung zukünftiger QKD Systeme ermöglichen.

Deutsch
Freie Schlagworte: quantum key distribution, Quantenschlüsselaustausch, QKD
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-265054
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Angewandte Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Angewandte Physik > Laser und Quantenoptik
Hinterlegungsdatum: 30 Jan 2024 12:35
Letzte Änderung: 01 Mär 2024 13:36
PPN:
Referenten: Walther, Prof. Dr. Thomas ; Birkl, Prof. Dr. Gerhard
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 13 Dezember 2023
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