title: Fast laser carving for a three-state BB84 protocol implementation with time-bin encoding and decoy states
Creators: name: Thiele, Pascal Léon
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: 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.
description: Quantum Key Distribution (QKD) can provide random and secure keys for information-theoretically secure cryptographic protocols, thereby ensuring the privacy of both current and future communications. This master’s thesis presents the implementation of a simplified three-state BB84 protocol with time-bin encoding and the one-decoy method, whose security against collective attacks was proven by Rusca et al. in 2018. The optical transmitter setup consists of a continuous wave laser with a wavelength at 1550 nm, modulated by a phase randomizer and a primary intensity modulator used for fast laser carving. This intensity modulator generates 400 ps-wide pulses with an intra-symbol pulse separation of 1 ns in the classical optical regime. A second intensity modulator selects among three intensity levels for the Z and X basis states and their corresponding decoy state counterparts. These pulses are then attenuated to the quantum level to match the respective photon number occupancy of the states, with a targeted mean photon number of 0.1 for signal states. The receiver’s side includes a beam splitter for passive basis selection, two single-photon detectors, and an unbalanced interferometer. With this setup, a quantum bit error rate (QBER) below 2 % was achieved for attenuations up to 19 dB. The quantum visibility of the setup was found to be 94 %. A QKD exchange was performed, and using a corrected estimate for the decoy mean photon number, a secret key rate of 1.7 kHz was extracted. The presented results demonstrate the successful implementation of the setup and the potential of fast laser carving in QKD experiments.