Τίτλος: “Πρακτικές υλοποιήσεις για Quantum Key Distribution (QKD) συστήματα σε εφαρμογές οπτικών δικτύων πρόσβασης (Optical Access Networks)”
Ερευνητική περιοχή:
Στην εποχή του Κβαντικού Υπολογιστή (Quantum Computer – QC), οι κίνδυνοι για τις υποδομές κρυπτασφάλειας στα συστήματα επικοινωνιών έχουν ωθήσει την αναζήτηση λύσεων σε κρυπτοσυστήματα ανθεκτικά στις επιθέσεις του QC (Post Quantum Cryptography – PQC) και στην αξιοποίηση της Κβαντικής Κρυπτογραφίας (QKD). Τα κβαντικά πρωτόκολλα κρυπτογραφίας που έχουν προταθεί εδώ και δεκαετίες [1] μπορούν να προσφέρουν θεωρητικά την απόλυτη ασφάλεια στη δημιουργία και το διαμοιρασμό κλειδιού, η οποία βασίζεται στους νόμους της Φυσικής μέσα από τα θεωρήματα της Κβαντικής Επεξεργασίας Πληροφορίας [2].
Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη υλοποιήσεων σε QKD πρωτόκολλα που μπορούν να αξιοποιήσουν τα κλασικά φωτονικά συστήματα και τις τεχνολογικές καινοτομίες που έχουν αναπτυχθεί για την υποστήριξη κλασικών εφαρμογών (πχ. Φωτονικά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα – PICs). Ένας επιπλέον στόχος είναι η επαναχρησιμοποίηση φωτονικών κυκλωμάτων που αξιοποιούνται για κλασικά συστήματα οπτικών δικτύων με σκοπό αυτά να υλοποιούν διατάξεις υλοποίησης κβαντικών πρωτοκόλλων (πχ. μονοφωτονιακές ροές) εάν εξασθενήσουμε την οπτική δέσμη στο όριο του μοναδικού φωτονίου.
Η παρούσα εργασία επιχειρεί να διερευνήσει μια τέτοια πρακτική υλοποίησης QKD συστημάτων που αξιοποιεί κλασικά συστήματα με εφαρμογή στα δίκτυα πρόσβασης 5G τεχνολογιών. Πιο συγκεκριμένα, θα διερευνήσει την δυνατότητα της παροχής φορέων κωδικοποίησης των μοναδικών φωτονίων μέσα από τους τόνους διαμόρφωσης σε ένα σύστημα αναλογικής διαμόρφωσης ραδιοσυχνοτήτων πάνω από οπτική ίνα (Analog Radio-over-Fiber). Με τον τρόπο αυτό θα υπάρξει η δυνατότητα να υλοποιούμε σταθμούς Alice για QKD πρωτόκολλα αξιοποιώντας τις εγκατεστημένες υποδομές των οπτικών πομπών για τα πρωτόκολλα κλασικής επικοινωνίας. Σκοπός της παρούσας διερεύνησης είναι η προσέγγιση του προβλήματος μέσα από την θεωρία του συστήματος και η πειραματική επίδειξη της υλοποίησης που θα επικυρωθεί με χρήση μονοφωτονιακών καταμετρητών (single-photon counters) τεχνολογίας InGaAs. Στην συνέχεια, θα επιχειρηθεί η αξιολόγηση της επίδοσης της πηγής μοναδικών φωτονίων σε πρωτόκολλα που βασίζονται στην χρήση τέτοιων φορέων μοναδικών φωτονίων και έχουν προταθεί στην βιβλιογραφία [3]. Ως τελικός στόχος της εργασίας θα είναι επίσης η διερεύνηση της επίδρασης φαινομένων διάδοσης της ίνας (χρωματική διασπορά, εξασθένιση) για πραγματικά σενάρια οπτικής πρόσβασης όπως έχουν μελετηθεί στο ΕΦΕ σε εγκατεστημένες υποδομές ίνας.
Βιβλιογραφικές πηγές:
[1] Mark Fox – Κβαντική Οπτική: Μια Εισαγωγή, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης (ΠΕΚ), Κεφάλαιο 12ο, Κβαντική Κρυπτογραφία
[2] E. Diamanti, “Practical challenges in quantum key distribution”, npj Quantum Information 2, 16025 (2016).
[3] F. Kiselev et al., “Analysis of the chromatic dispersion effect on the subcarrier wave QKD system”, Optics Express, Vol.28, No.19, September 2020.
Απαραίτητες γνώσεις:
Φωτονική Τεχνολογία στις Τηλεπικοινωνίες
Ελάχιστος χρόνος εκπόνησης: 5 μήνες
Επικοινωνία:
Γιάννης Γιαννούλης, Μεταδιδακτορικός Ερευνητής, jgiannou@mail.ntua.gr
Αργύρης Ντάνος, Υποψήφιος Διδάκτορας, ntanosargiris@mail.ntua.gr
Δημήτρης Ζαβιτσάνος, Υποψήφιος Διδάκτορας, dimizavitsanos@mail.ntua.gr