Generation and fiber-based distribution of high-bandwidth entanglement for continuous variable quantum key distribution

Abstract

Entanglement is a key resource in many quantum information tasks, from quantum computing to quantum key distribution. In quantum key distribution in particular, use of entanglement enables protocols that are one-sided device independent. The source of its security are the inability to clone a quantum state as stated by the no-cloning theorem, as well as that the entanglement strength monotonically decreases if information is lost. The total decoherence experienced by the entangled state places an upper bound on the information an adversary could have gained while eavesdropping. Use of high bandwidth entangled states increases the key rate of such a protocol. During this thesis I investigated the feasibility of distributing a continuous variable Einstein-Podolski-Rosen entangled state over a noisy channel for use in a one-sided device independent quantum key distribution protocol in an applied setting. To maximize the potential data rate I designed and set up two GHz bandwidth homodyne detectors as well as two GHz bandwidth monolithic squeezed light sources which constituted the entanglement source. The squeezed light sources individually produced states exhibiting a noise reduction of up to 6.5 dB compared to shot noise at 30 MHz and 2.9 dB at a frequency above 1 GHz. By combining the two squeezed states I produced an entangled state that showed a 4.2 dB reduced variance relative to the combined shot noise of the measured light. This allowed to infer a violation of the EPR-Reid criterion. I distributed the entangled state between two separate buildings on campus via a 1 km long optical fiber link. Transmitting one part of the entangled state through the fiber link, the entanglement showed little degradation. The peak relative noise reduction remained at up to 3.7 dB below the combined shot noise over a 10 MHz wide frequency band. I used this band to generate a raw key pair at 336 kbit s^−1. Additionally, a 250 MHz wide frequency band remained free of other noise sources at more than 2.0 dB below combined shot noise. Improving the initial squeezing factor of both sources can extend the violation of the EPR-Reid criterion to this band, enabling its use for key generation and thus increasing the key rate. This result demonstrates the viability of a continuous variable quantum key distribution protocol based on two-mode squeezed states in the presence of typical environmental noise sources. Stabilizing the readout quadrature would further increase the raw key rate to 50 Mbit s^−1.

Verschränkung bildet eine der zentralen Resourcen der Quanteninformation, mit Anwendungen in Quantencomputern und Quantenschlüsselverteilung. Besonders in der Quantenschlüsselverteilung ermöglicht der Einsatz von Verschränkung einseitig geräteunabhängige Protokolle. Ursprung dieser erhöhten Sicherheit ist, dass die Stärke der Verschränkung monoton mit Informationsverlust abnimmt, sowie das No-Cloning Theorem, welches es verbietet eine exakte Kopie eines beliebigen Quantenzustands zu erzeugen. Die Gesamtdekohärenz der verschränkten Zustände setzt eine obere Grenze für die Information, die bei einem Abhörversuch erlangt worden sein kann. Die Schlüsselrate dieser Protokolle skaliert dabei mit der Bandbreite der Verschränkung. In dieser Doktorarbeit untersuchte ich die Realisierbarkeit der Verteilung eines Einstein-Podolski-Rosen verschränkten Zustands über einen realen rauschbehafteten Kanal. Der explizite Schwerpunkt lag auf der Verwendung der Zustands in einem einseitig geräteunabhängigen Quantenschlüsselverteilungsprotokol. In dieser Zeit entwarf ich zwei Quetschlichtquellen, die den verschränkten Zustand erzeugten, sowie zwei Homodyndetektoren, um diesen zu vermessen. Dabei wählte ich die Bandbreite von Lichtquellen und Detektoren im GHz Bereich, um die erreichbare Schlüsselrate zu maximieren. Einzeln vermessen produzierten die Quetschlichtquellen Zustände mit einem reduzierten Quantenrauschen von bis zu 6.5 dB unter dem Schrotrauschen bei 30 MHz Seitenbandfrequenz, sowie eine Reduktion von 2.9 dB über 1 GHz Seitenbandfrequenz. Durch Überlagerung der beiden gequetschten Zustände erzeugte ich einen verschränkter Zustand, der eine Varianz von 4.2 dB unter dem kombinierten Schrotrauschen des gemessenen Lichts erreichte. Daraus konnte ich eine Veletzung des EPR-Reid Kriteriums ableiten. Den verschränkte Zustand verteilte ich zwischen zwei unterschiedlichen Gebäuden auf dem Campus mittels einer 1 km langen optischen Glasfaser. Nach der Transmission durch die Faser sank der Spitzenwert auf 3.7 dB, gemessen über ein 10 MHz breites Frequenzband. Dieses Frequenzband nutzte ich, um einen Rohschlüssel mit einer Rohschlüsselrate von 336 kbit s^−1 zu generieren. Ein weiteres 250 MHz breites Frequenzband zeigte eine Varianz von mehr als 2.0 dB unter dem kombinierten Schrotrauschen. Ein höherer initialer Quetschfaktor kann eine Verletzung des EPR-Reid Kriterium in diesem Frequenzband ermöglichen. Dies würde das Frequenzband zusätzlich für die Schlüsselgenerierung eröffnen und so die Schlüsselrate zu erhöhen. Die Ergebnisse dieser Arbeit demonstrieren die Umsetzbarkeit eines Quantenschlüsselverteilungsprotokolls basierend auf Zwei-Moden gequetschten Zuständen in einer verrauschten Umgebung. Durch Stabilisierung der Auslesequadratur kann die Rohschlüsselrate weiter auf bis zu 50 Mbit s^−1 erhöht werden.