Title: Photonic Integrated Circuit (PIC) based polarization handling elements for quantum cryptography applications
Quantum cryptography leverages the principles of quantum mechanics to securely deliver cryptographic keys between two users. Typical quantum cryptography protocols, such as BB84, use polarization as an encoding scheme. To effectively modulate light polarization within a photonic integrated circuit (PIC), structures like polarization rotators play a crucial role [1]. Therefore, the availability of PIC based polarization handling elements, like polarization rotators and polarization beam splitters, can be highly beneficial in applications like quantum cryptography. This thesis will involve at first the experimental characterization of existing PIC based polarization splitters and rotators that show potential for adoption in quantum cryptography links. Given the experimental results, as a second step the thesis will focus on the design of a second generation of polarization structures with improved characteristics, using photonic simulation tools, to better meet the performance requirements of the application.
Τίτλος: Στοιχεία διαχείρισης πόλωσης βασισμένα σε ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα για εφαρμογές κβαντικής κρυπτογραφίας
H κβαντική κρυπτογραφία αξιοποιεί τις αρχές της κβαντομηχανικής για την ασφαλή παράδοση κρυπτογραφικών κλειδιών μεταξύ δύο χρηστών. Τυπικά πρωτόκολλα κβαντικής κρυπτογραφίας, όπως το BB84, χρησιμοποιούν την πόλωση ως σχήμα κωδικοποίησης. Για την αποτελεσματική διαμόρφωση της πόλωσης του φωτός μέσα σε ένα ολοκληρωμένο φωτονικό κύκλωμα (PIC), δομές όπως οι στροφείς πόλωσης παίζουν κρίσιμο ρόλο [1]. Επομένως, η διαθεσιμότητα στοιχείων διαχείρισης πόλωσης σε PIC, όπως στροφείς και διαχωριστές πόλωσης, μπορεί να είναι ιδιαίτερα επωφελής σε εφαρμογές όπως η κβαντική κρυπτογραφία. Η διπλωματική θα περιλαμβάνει αρχικά τον πειραματικό χαρακτηρισμό υφιστάμενων διαχωριστών και στροφέων πολώσεων βασισμένων σε PIC, που παρουσιάζουν δυνατότητες υιοθέτησης σε εφαρμογές κβαντικής κρυπτογραφίας. Λαμβάνοντας υπόψιν τα πειραματικά αποτελέσματα, στη συνέχεια η διατριβή θα επικεντρωθεί στη σχεδίαση μιας δεύτερης βελτιστοποιημένης γενιάς δομών διαχείρισης πόλωσης, χρησιμοποιώντας εργαλεία φωτονικής προσομοίωσης, με σκοπό την βελτιστοποίηση της απόδοσης σύμφωνα με τις απαιτήσεις της εφαρμογής.
[1] G. Giannoulis, A. Stathis, A. Ntanos, G. Poulopoulos, and H. Avramopoulos, "MZI-based Polarization Encoder for DS-BB84 QKD," in Quantum 2.0 Conference and Exhibition, Technical Digest Series (Optica Publishing Group, 2024), paper QTh3A.10.
Ελάχιστος χρόνος εκπόνησης της εργασίας: 4-6 μήνες
Χρήσιμες Γνώσεις:
- Αρχές Φωτονικής Τεχνολογίας και Ολοκληρωμένης Οπτικής
- Βασικές γνώσεις ηλεκτρομαγνητισμού, πόλωσης και κβαντικής κρυπτογραφίας
- Εξοικείωση με χρήση Python, Matlab
- Βασικές γνώσεις διατάξεων χαρακτηρισμού ολοκληρωμένων φωτονικών πλακιδίων (probe station)
- Εξοικείωση με λογισμικό ηλεκτρομαγνητικών προσομοιώσεων σχεδιασμού ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων (Ansys Luemrical)
Επικοινωνία:
Δρ. Θένια Προυσαλίδη thenia@mail.ntua.gr