MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a530
■1001  ▼aCochran,  Roderick  D.
■24510▼aFull-System  Design,  Implementation,  and  Analysis  for  Quantum  Key  Distribution  on  Mobile  Platforms
■260    ▼a[Sl]▼bThe  Ohio  State  University▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a189  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-04,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Gauthier,  Daniel  J.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--The  Ohio  State  University,  2024.
■520    ▼aRecent  advances  in  quantum  computing  threaten  the  future  of  information  security  in  classical  cryptography.  However,  parallel  advances  in  quantum  communication  and  quantum  key  distribution  (QKD)  in  particular  show  promise  as  a  new  paradigm  for  information  security  without  the  same  vulnerabilities.  Because  the  security  of  QKD  does  not  depend  on  the  computational  power  of  the  adversary,  it  can  be  considered  "future  proof".  Nevertheless  QKD  brings  its  own  set  of  technical  challenges  and  security  vulnerabilities  that  must  be  addressed  to  bring  it  forth  as  a  practical  option  for  secure  information  transfer.One  outstanding  issue  is  the  so-called  "last  mile"  problem  wherein  connecting  a  communication  network  to  the  end  users  requires  significant  expense  and  infrastructure.  Mobile  and  reconfigurable  communication  platforms  present  advantages  in  this  area  due  to  their  ability  to  meet  the  needs  of  many  end  users  with  a  smaller  network  of  nodes.  The  implementation  of  a  QKD  system  on  mobile  platforms  such  as  drones  and  cars  brings  this  advantage  to  a  hypothetical  future  quantum  communication  network. The  security  of  QKD  hinges  on  limiting  an  adversary  to  only  performing  measurements  on  the  quantum  state  in  the  encoded  degree-of-freedom  of  the  wavepacket,  at  which  point  the  attack  can  be  detected  and  dealt  with  via  privacy  amplification.  This  involves  preparing  and  measuring  high  fidelity  quantum  states  with  sufficient  transmission  volume  to  overcome  the  challenges  of  finite  key  effects.  Additionally,  it  requires  high  levels  of  indistinguishability  in  the  non-encoding  degrees-of-freedom  lest  the  information  be  leaked  to  the  adversary  via  a  side-channel  attack.In  this  thesis,  I  present  the  designs  and  experimental  efforts  undertaken  to  implement  a  QKD  system  on  mobile  platforms  and  operated  in  an  outdoor  environment.  I  also  present  the  detailed  analysis,  modeling,  and  data  processing  used  to  determine  the  central  figures-of-merit  for  the  performance  of  the  system.I  explain  the  light  emitting  diode  (LED)  based  photonic  source  driven  by  a  field-programmable  gate  array,  along  with  the  apparatus  with  which  we  collect  the  photonic  wavepackets.  These  custom  LED-to-fiber  couplers  can  achieve  mean  photon  numbers  on  the  order  of  unity,  which  is  as  high  an  intensity  as  is  optimal  for  most  QKD  protocols.  As  measures  against  potential  side-channel  attacks,  the  transmitter  optics  bench  incorporates  a  single-mode  spatial  filter  fiber  and  a  spectral  filter  while  the  field-programmable  gate  array  dynamically  controls  the  timing  of  the  wavepackets.  For  the  indistinguishability  of  transmitted  states,  I  derive  the  maximum  mutual  information  that  can  be  leaked  to  the  adversary  through  side-channel  attacks.  The  spectral  degree-of-freedom  yields  a  leaked  mutual  information  of  2.4x10−5  (with  a  2.44  x  10−5  measurement  bias  and  uncertainty  of  1.20  x  10−5  ).  The  temporal  degree-of-freedom  yields  a  leaked  mutual  information  of  4.31  x  10−5  (with  a  3.18  x  10−6  measurement  bias  and  a  7.99  x  10−7  uncertainty).I  describe  the  design  of  a  full  optical  train  for  state  preparation  and  measurement,  including  polarization  fidelity  compensation  to  combat  the  birefringent  effects  of  the  single-mode  spatial  filter  fiber  as  well  as  other  optical  components.  These  designs  are  informed  by  experience  in  implementing  tabletop  versions  of  the  system  as  well  as  extensive  modeling  of  the  non-ideal  polarization  properties  of  the  components.  Additionally,  I  detail  the  procedures  required  to  effectively  deploy  this  system  on  mobile  platforms  for  outdoor  field  testing.  The  polarization  preparation  and  measurement  system  is  able  to  achieve  average  quantum  bit  error  rates  as  low  as  2.21%  in  field  demonstrations.I  introduce  a  suite  of  custom  data  analysis  and  processing  software,  which  stitches  together  the  asynchronous  receiver  data  streams,  synchronizes  the  data  streams  of  the  two  users  with  a  custom  qubit-based  Bayesian  algorithm,  generates  sifted  keys,  and  filters  noise  in  the  post-processing.  The  synchronization  algorithm  in  particular  allows  the  reconciliation  of  the  two  users'  data  streams  without  the  need  for  external  hardware  solutions  and  without  sacrificing  any  secure  key.  My  simulations  show  that  the  algorithm  can  tolerate  relative  clock  drift  rates  of  up  to  1  part  in  4140.I  present  our  team's  demonstrations  of  this  system  in  various  mobile  platform  configurations  in  the  context  of  relevant  state-of-the-art  QKD  demonstrations  in  the  literature.  The  primary  figure-of-merit  of  the  aggregate  system  is  the  finite  secure  key  rate,  and  we  achieve  finite  key  rates  of  7.98  kbits/s  for  the  air-to-air  demonstration,  1.52  kbits/s  for  the  air-to-car  demonstration,  and  19.6  kbits/s  for  the  car-to-car  demonstration.
■590    ▼aSchool  code:  0168.
■650  4▼aPhysics
■650  4▼aQuantum  physics
■653    ▼aQuantum  key  distribution
■653    ▼aMobile  platforms
■653    ▼aDrones
■653    ▼aFull-system  design
■690    ▼a0605
■690    ▼a0599
■71020▼aThe  Ohio  State  University▼bPhysics.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-04B.
■790    ▼a0168
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17164931▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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