Development of Long Distance Free-Space Quantum Key Distribution System

Abstract

Kuantum Anahtar Dağıtımı (KAD), kuantum mekaniğine dayalı prensipleri kullanarak güvenli haberleşme sağlamak amacıyla kullanılan gelişmiş bir yöntemdir. Geleneksel şifreleme yöntemlerinin hesaplama karmaşıklığına dayanmasına karşın, KAD sistemleri birbirlerinden uzak taraflar arasında kriptografik anahtarlar oluşturmak amacıyla kullanmaktadır. KAD sistemleri, tek-foton seviyesinde foton kaynakları tarafından üretilen uçan-kubit durumlarının polarizasyon, faz, yörüngesel açısal momentum vb. gibi fiziksel serbestlik derecelerinin kuantum bilgi işlemesi amacıyla kullanmaktadır. Güvenli iletişim için kullanılan kuantum ışık kaynakları çeşitli yöntemler ile elde edilmektedir. İdeal olarak deterministik olaylarla üretilen tek-foton durumlarının yanı sıra, foton-çifti ve zayıf-tutarlı durumlar gibi nedensel olmayan yöntemler çeşitli senaryolar özelinde öne çıkmaktadır. Bu bağlamda KAD protokollerinin yanında iletişim kanalları (optik fiber, açık-hava ve sualtı) dikkate alındığında, kuantum ışık kaynakları KAD uygulamaları içerisinde farklı avantajlar ve dezavantajlar sunmaktadır. Bu bağlamda, KAD uygulamalarının verimliliği, menzili ve güvenliği, KAD protokolü ve kuantum ışık kaynaklarının seçimi kapsamında belirleyici olmaktadır. Bu tezin kapsamında, zayıf-tutarlı durumlar kullanarak çeşitli mesafelerde ve anahtarlama oranlarında açık-hava dik-olmayan kuantum durumlarının polarizasyon kodlamasına dayanan B92 protokolü gerçekleştirilmiştir.

Quantum Key Distribution (QKD) represents an advanced method for achieving secure communication, leveraging principles rooted in quantum mechanics. Unlike traditional encryption methods reliant on computational complexity, QKD utilizes intrinsic quantum mechanical properties to establish cryptographic keys between remote parties. QKD systems operate using flying-qubit states, generated by photon sources at a single-photon level and employing physical degrees of freedom such as polarization, phase, orbital-angular momentum, etc., for quantum information processing. There are various approaches employed to generate photons for secure communication, including on-demand generation of single photons triggered by deterministic events, as well as the use of non-deterministic generation of photon-pair and weak-coherent states, each suitable for specific scenarios. Each type of photon source offers distinct advantages and disadvantages tailored to applications within QKD systems, considering various protocols and transmission channels such as optical fiber, free-space, and underwater. These factors influence the efficiency, range, and security of QKD implementations, guiding the selection of photon sources to optimize performance in diverse operational conditions. In the scope of thesis, B92-protocol based on polarization encoding of non-orthogonal states is performed over various free-space distances and repetition rates utilizing weak-coherent states.