Toward integrating continuous-variable quantum key distribution technology
Authors:   , Aldama Guardia Jennifer Diana 
Published: March 2024

(English) Being able to secure confidential information is imperative in today’s society, but advancements in quantum technologies pose a potential threat. In response, researchers are developing technologies based on quantum mechanics, such as quantum key distribution (QKD), in particular continuous-variable QKD (CV-QKD), which is emerging as a promising solution due to its compatibility with classical network infrastructures. However, current systems remain bulky and costly, limiting their widespread adoption. To address this challenge, the miniaturization and integration of QKD systems into monolithic photonic integrated circuits (PICs) have the potential to accelerate adoption across a broader market. This is due to the anticipated reductions in size, power consumption, production costs and overall system complexity.
This work presents four pulsed Gaussian-modulated coherent state (GMCS) CV-QKD systems based on discrete components and, in the last case, a PIC. The thesis begins with a modular system utilizing discrete components, such as phase and amplitude modulators. Notably, this prototype eliminates the need for phase locking, as the same laser serves as both a local oscillator and the source for generating quantum signals. The system mitigates Rayleigh backscattering by employing two channels, one for transmitting light and the other for transmitting coherent states. Demonstrations indicate its operability over metropolitan distances.
In the second approach, the system showcases the parallelization of CV-QKD signals and the coexistence of multiple quantum signals with a classical signal, spatially multiplexed through a multicore fiber (MCF). In this scenario, two lasers are employed, with one emitting the frequency locking signal propagating along one of the MCF’s core.
The third proposal introduces a simplified CV-QKD transmitter (TX) that eliminates the need for a phase modulator in the GMCS generation. This system leverages the random properties of a distributed feedback (DFB) laser operating in the gain-switching (GS) mode. The study demonstrates the applicability of our proposed compact TX for GMCS generation in CV-QKD and its feasibility for integration into a metropolitan network.
Finally, we describe and characterize an InP-based PIC TX tailored for CV-QKD applications. System-level proof-of-principle experiments are conducted using a shared laser approach with a pulsed GMCS CV-QKD protocol over an 11 km optical fiber channel. The results indicate potential secret key rates of 52 kbps in the asymptotic regime and 27 kbps in the finite size regime, highlighting the capabilities of the proposed PIC design and, more broadly, the properties of InP technologies for monolithic integration of CV-QKD systems. All the proof-of-principle experiments outlined in this dissertation contribute significantly to the field of miniaturizing CV-QKD systems.

(Català) La capacitat d'assegurar informació confidencial és imperativa en la societat actual, però els avenços en tecnologies quàntiques plantegen una amenaça potencial. En resposta, els investigadors estan desenvolupant tecnologies basades en la mecànica quàntica, com la distribució quàntica de claus (QKD), en particular la QKD de variable contínua (CV-QKD), que està emergint com una solució prometedora a causa de la seva compatibilitat amb les infraestructures de xarxes clàssiques. No obstant això, els sistemes actuals continuen sent voluminosos i costosos i en limiten l'adopció generalitzada. Per abordar aquest desafiament, la miniaturització i la integració de sistemes QKD en circuits fotònics integrats monolítics (PICs) tenen el potencial d'accelerar l'adopció en un mercat més ampli. Això és degut a les reduccions anticipades en mida, en consum d'energia, en costos de producció i en la complexitat del sistema en general.
Aquest treball presenta quatre sistemes de CV-QKD d'estat coherent gaussià modulat per polsos (GMCS), basats en components discrets i, en l'últim cas, en un PIC. La tesi comença amb un sistema modular que utilitza components discrets, com a moduladors de fase i d’amplitud. És important destacar que aquest prototip elimina la necessitat del blocatge de fase, ja que el mateix làser serveix tant com a oscil·lador local com a font per generar senyals quàntics. El sistema redueix la retrodispersió de Rayleigh mitjançant l'ús de dos canals, l’un per transmetre llum i l'altre per transmetre estats coherents. Les demostracions indiquen la operabilitat que tenen sobre distàncies metropolitanes.
En el segon enfocament, el sistema mostra la paral·lelització dels senyals de CV-QKD i la coexistència de múltiples senyals quàntics amb la d’un senyal clàssic, multiplexades espacialment a través d'una fibra multicore (MCF). En aquest escenari, s'empren dos làsers, un dels quals emet el senyal de sincronització de freqüència que es propaga al llarg d'un dels nuclis del MCF.
La tercera proposta introdueix un transmissor (TX) de CV-QKD simplificat que elimina la necessitat d'un modulador de fase en la generació de GMCS. Aquest sistema aprofita les propietats aleatòries d'un làser de retroalimentació distribuïda (DFB) que opera en el mode de commutació de guany (GS). L'estudi demostra l'aplicabilitat del compacte TX proposat per a la generació de GMCS en CV-QKD i la viabilitat que té per a la integració en una xarxa metropolitana.
Finalment, descrivim i caracteritzem un TX basat en InP dissenyat per a aplicacions de CV-QKD. Es realitzen experiments de prova de concepte, a nivell de sistema, utilitzant un enfocament de làser compartit amb un protocol de GMCS CV-QKD polsat sobre un canal de fibra òptica d’11 km. Els resultats indiquen potencials taxes de claus secretes de 52 kbps en el règim asimptòtic i 27 kbps en el règim de mida finita, i posen de manifest les capacitats del disseny de PIC proposat i, més àmpliament, les propietats de les tecnologies InP per a la integració monolítica de sistemes de CV-QKD. Tots els experiments de prova de concepte delineats en aquesta tesi contribueixen significativament al camp de la miniaturització de sistemes de CV-QKD.

(Español) La capacidad de asegurar información confidencial es imperativa en la sociedad actual, pero los avances en tecnologías cuánticas plantean una amenaza potencial. En respuesta, los investigadores están desarrollando tecnologías basadas en la mecánica cuántica, como la distribución cuántica de claves (QKD), en particular QKD de variable continua (CV-QKD), que está surgiendo como una solución prometedora debido a su compatibilidad con las infraestructuras de redes clásicas. Sin embargo, los sistemas actuales siguen siendo voluminosos y costosos, lo que limita su adopción generalizada. Para abordar este desafío, la miniaturización e integración de sistemas QKD en circuitos fotónicos integrados (PICs) monolíticos tienen el potencial de acelerar su adopción en un mercado más amplio. Esto se debe a las reducciones anticipadas en tamaño, consumo de energía, costos de producción y complejidad del sistema en general.
Este trabajo presenta cuatro sistemas pulsados de CV-QKD de estado coherente con modulación Gaussiana (GMCS) basados en componentes discretos y, en el último caso, en un PIC. La tesis comienza con un sistema modular que utiliza componentes discretos, como moduladores de fase y amplitud. Es importante destacar que este prototipo elimina la necesidad de bloqueo de fase, ya que el mismo láser sirve tanto como oscilador local como fuente para generar señales cuánticas. El sistema mitiga la retro dispersión de Rayleigh mediante el uso de dos canales, uno para transmitir luz y otro para transmitir estados coherentes. Las demostraciones indican su funcionamiento sobre distancias metropolitanas.
En el segundo enfoque, el sistema muestra la paralelización de las señales de CV-QKD y la coexistencia de múltiples señales cuánticas con una señal clásica, multiplexadas espacialmente a través de una fibra multi-núcleo (MCF). En este escenario, se utilizan dos láseres, con uno emitiendo la señal de sincronización de frecuencia que se propaga a lo largo de uno de los núcleos de la MCF.
La tercera propuesta introduce un transmisor (TX) de CV-QKD simplificado que elimina la necesidad de un modulador de fase en la generación de GMCS. Este sistema aprovecha las propiedades aleatorias de un láser de retroalimentación distribuida (DFB) que opera en el modo de conmutación de ganancia (GS). El estudio demuestra la aplicabilidad de nuestro compacto TX propuesto para la generación de GMCS en CV-QKD y su viabilidad para la integración en una red metropolitana.
Finalmente, describimos y caracterizamos un TX basado en InP diseñado para aplicaciones de CV-QKD. Experimentos de prueba de concepto a nivel de sistema fueron realizados utilizando el método de láser compartido con el protocolo GMCS CV-QKD pulsada a través de un canal de fibra óptica de 11 km. Los resultados indican tasas de claves secretas potenciales de 52 kbps en el régimen asintótico y 27 kbps en el régimen de tamaño finito, destacando las capacidades del diseño de PIC propuesto y, más ampliamente, las propiedades de las tecnologías InP para la integración monolítica de sistemas de CV-QKD. Todos los experimentos de prueba de concepto delineados en esta tesis contribuyen significativamente al campo de la miniaturización de sistemas de CV-QKD.