Fast laser carving for a three-state BB84 protocol implementation with time-bin encoding and decoy states

Die Quanten-Schlüsselverteilung (quantum key distribution, QKD) kann zufällige und sichere Schlüssel für informationstheoretisch sichere kryptografische Protokolle bereitstellen und so die Vertraulichkeit sowohl der aktuellen als auch zukünftiger Kommunikation gewährleisten. Diese Masterarbeit präsentiert die Implementierung eines vereinfachten Three-State BB84-Protokolls mit Time-Bin Kodierung und der One-Decoy Methode, dessen Sicherheit gegen kollektive Angriffe von Rusca et al. im Jahr 2018 bewiesen wurde. Der Aufbau des optischen Senders besteht aus einem Dauerstrichlaser mit einer zentralen Wellenlänge von 1550 nm, der von einem Phasenrandomisierer und einem primären Intensitätsmodulator moduliert wird, der für schnelles Laser Carving verwendet wird. Dieser Intensitätsmodulator erzeugt 400 ps breite Pulse mit einem Intra-Symbol-Pulsabstand von 1 ns im klassischen optischen Bereich. Ein zweiter Intensitätsmodulator wählt zwischen drei Intensitätsstufen für die Z und X Basiszustände sowie deren entsprechenden Decoy Zustände. Diese Pulse werden dann auf das Quantenlevel abgeschwächt, um die jeweilige Photonenzahlbesetzung der Zustände zu erreichen, wobei eine mittlere Photonenzahl von 0.1 für die Signal Zustände angestrebt wird. Die Empfängerseite umfasst einen Strahlteiler zur passiven Basisauswahl, zwei Einzelphotonendetektoren und ein verzögertes Interferometer. Mit diesem Aufbau wird eine Quantenbitfehlerrate (quantum bit error rate, QBER) unter 2 % für Dämpfung bis zu 19 dB erreicht. Die Quantenvisibilität des Aufbaus betrug 94 %. Ein QKD-Austausch wurde durchgeführt, und unter Verwendung einer korrigierten Schätzung für die Photonenzahl der Decoy Zustände wurde eine Geheimschlüsselrate von 1.7 kHz extrahiert. Die präsentierten Ergebnisse demonstrieren den erfolgreichen Aufbau und das Potenzial von schnellem Laser Carving in QKD-Experimenten.