B92 based quantum key distribution with faint pulsed laser

Abstract

In quantum key distribution (QKD), photons are used to share the key between the transmitter and receiver, and in principle, single photon sources should be used to create a secure communication channel. Nowadays, attenuated laser sources are used in many studies. While it is practical to use attenuated laser pulses for QKD system, it poses many safety issues due to the possibility of multiple photons in the laser pulses. In addition, the key rate is waived to increase the level of security. However, the use of single photon sources is not as easy and practical as using attenuated laser sources. Today, studies of single photon sources to be used for QKD continue. In order for these single photon sources to be used actively, a photon source that operates at room temperature, operates in a wide band-gap range for different areas of use (underwater, optical fiber-based and free space) and can be excited at high speed is required. Since hBN defect centers are a material that can produce single photons at room temperature and have a wide band gap, it seems very ideal for these studies. In this thesis, studies have been carried out on the realization of the protocol, which is a part of QKD, with solid-state materials that produce single photons. In the studies, a key was produced with a faint pulsed laser. Also, data is encrypted using the key of the transmitter. Then the data is successfully decrypted with the key measured by the receiver.

Kuantum anahtar dağıtımınında (KAD) anahtarın alıcı ve verici arasında paylaşımı için fotonlar kullanılmaktadır ve güvenli bir iletişim kanalı oluşturmak için prensipte tek foton kaynakları kullanılması gerekmektedir. Günümüzde, yapılan pek çok çalışmada zayıflatılmış lazer kaynakları kullanılmaktadır. KAD için zayıflatılmış lazer darbeleri kullanılması pratik olsa da lazer darbelerinde birden fazla foton bulunma olasılığından dolayı pek çok güvenlik sorunu oluşturmaktadır. Ayrıca, güvenlik seviyesinin arttırılması için anahtar hızından feragat edilmektedir. Fakat, tek foton kaynaklarının kullanımı zayıflatılmış lazer kaynaklarını kullanmak kadar kolay ve pratik değildir. Günümüzde, KAD için kullanılacak tek foton kaynaklarının çalışmaları sürmektedir. Bu tek foton kaynaklarının aktif olarak kullanılabilmesi için oda sıcaklığında çalışan, farklı kullanım alanları için geniş bant aralığında çalışan (su-altı, optik fiber-tabanlı ve havadan) ve yüksek hızda uyarılabilen bir foton kaynağı gerekmektedir. hBN kusur merkezleri oda sıcaklığında tek foton üretebilen ve geniş bant aralığına sahip bir malzeme olduğundan dolayı bu çalışmalar için çok ideal görülmektedir. Bu tez çalışmasında, tek foton üreten katı hal malzemeleri ile KAD'ın bir kısmı olan protokolün gerçekleştirilmesi üzerine çalışmalar yapılmıştır. Yapılan çalışmalarda, zayıflatılmış darbeli lazer ile bir anahtar üretilmiştir. Ayrıca, gönderici tarafındaki elenmiş anahtar kullanılarak bir veri şifrelenmiş, ardından alıcı ile ölçülen anahtar ile verinin şifresi çözülmüştür.