Maestría en Ingeniería de Telecomunicaciones · 2019
Sistema de comunicacion optica basado en la modulacion de coherencia y el momento angular orbital de la luz
Las redes ópticas con capacidades del orden de los terabits por segundo permiten brindar múltiples servicios a los usuarios, por lo cual se han convertido en la columna vertebral de los sistemas de telecomunicaciones modernos y deben garantizar y preservar la confidencialidad, disponibilidad e integridad de los datos, es decir, la seguridad, ya que soportan un gran flujo de información, en su mayoría de carácter personal y privado. En lo referente a la confidencialidad se ha encontrado que gran parte de los esquemas convencionales de cifrado pueden ser bastante vulnerables ante los avances en computación cuántica, en consecuencia se da la aparición de nuevos métodos y esquemas basados en las potencialidades del mundo cuántico. Con base al nuevo enfoque en la seguridad de los sistemas, este trabajo de investigación considera la descripción de un sistema de distribución de clave cuántica basado en la codificación en dos bases mutuamente imparciales utilizando la coherencia temporal de una fuente de luz, introduciendo un retardo óptico mayor que el tiempo de coherencia de la fuente, entre los trenes de ondas emitidos y los modos de momento angular orbital descritos por el término de fase , de modo que se logra una mayor capacidad de bits por fotón frente a esquemas convencionales y se obtiene una mayor resistencia contra los ataques por interceptación de canal por parte del sistema como se evidencia en los resultados obtenidos en simulación mediante el método de Montecarlo. Adicionalmente, se presentan los resultados experimentales asociados a algunos de los principales componentes del sistema de comunicación propuesto como punto de partida para una futura implementación. * Trabajo de maestría. ** Facultad de ingeniería Físico-Mecánicas. Escuela de Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones. Maestría en Ingeniería de Telecomunicaciones. Director: Ernesto Aguilera Bermúdez, Ph.D. en Ingeniería. Co-director: Yezid Torres Moreno, Dr. Óptica y procesamiento de
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Contenido
- Introducciónp. 16
- Marco conceptual y estado del artep. 18
- Interferómetro de Mach-Zehnderp. 19
- Modulación de coherenciap. 21
- Momento angular orbitalp. 23
- Sistema distribución de clave cuánticap. 25
- El método de Monte Carlop. 32
- Sistema de comunicación basado en la modulación de coherenciap. 35
- Esquema y funcionamiento del sistema de comunicaciónp. 36
- Modelo estocástico y simulación de Monte Carlop. 39
- Análisis de ataques a la seguridad del sistemap. 45
- 2.3.1 Ataque 1p. 46
- 2.3.2 Ataque 2_kp. 49
- 2.3.3 Ataque 3_kp. 53
- 2.3.4 Combinación de ataque 1, 2_k y 3_kp. 57
- orbitalp. 58
- Descripción del sistema de comunicaciónp. 59
- 3.1.1 Bases de la codificaciónp. 60
- 3.1.2 Generación de estados (Alice)p. 65
- 3.1.3 Detección y medición del estado (Bob)p. 72
- Análisis de ataques a la seguridad del sistema (Eve)p. 75
- Cadencia del sistemap. 84
- de coherencia y el momento angular orbitalp. 86
- Detección y conteo de fotonesp. 87
- Generación de bajo número de fotonesp. 94
- 4.2.1 Caracterización de la fuente láserp. 94
- 4.2.2 Caracterización del divisor de hazp. 99
- 4.2.3 Caracterización del espejop. 102
- Interferómetro de Mach-Zehnderp. 19
- Conclusionesp. 108
- Producción académicap. 112
- Referencias Bibliográficasp. 115
- Apéndicesp. 123
- Tabla 1. Esquema codificación de bitsp. 29
- Tabla 2. Codificación por variación de fasep. 37
- en un sistema de comunicación basado en modulación de coherenciap. 38
- fotones de igual a 60, para diferente número de experimentos (trial) y Ns=500p. 44
- 𝑒𝑖𝑙𝑎 𝜑+ 𝑒𝑖𝑙𝑏𝜑; 𝑙𝑎⊖𝑙𝑏= 𝑒𝑖𝑙𝑎 𝜑−𝑒𝑖𝑙𝑏𝜑p. 71
- Tabla 6. Configuraciones de Bob para la medición de estadosp. 73
- tiempo de Alice TD1=𝜏𝑘 TD2=𝜏𝑞p. 75
- Tabla 8. Esquema de codificación de bitsp. 86
- Tabla 9. Datos de potencia óptica promedio y su desviación estándar para el haz láserp. 95
- Figura 1. Esquema de un interferómetro de Mach- Zehnderp. 20
- Jackson, 1996b)p. 22
- fasep. 24
- Figura 4. Elementos básicos de un algoritmo de cifrado o criptosistemap. 26
- Figura 5. Ejemplo de una transmisión de 8 bits mediante el protocolo BB84p. 30
- Figura 6. Metodología de la simulación de Monte Carlop. 34
- con un número elevado de fotones, Nota. Tomada de (Rhodes et al., 2016)p. 40
- comunicación ante un ataque por interceptación del canalp. 42
- cada una con trial=1000, para un caso de conteo promedio de fotones igual a 60 y M=10p. 43
- 1000 cada una con Ns= 500, para un caso de conteo promedio de fotones igual a 60 y M=10p. 44
- a nivel de conteo de fotones, Nota. Adaptado de (Rhodes et al., 2016)p. 46
- parte de Alice. Cada bola azul es una representación pictórica de un fotónp. 47
- Figura 14. Código de MATLAB para determinar el evento del ataque 1 de Evep. 47
- resultados de la simulación de Monte Carlo (rojo) con trial=1000 y Ns=500p. 48
- (azul) y resultados de la simulación de Monte Carlo (rojo) con trial=1000 y Ns=500p. 48
- para el ataque 1 y M = 10p. 49
- parte de Alice. Cada bola azul es una representación pictórica de un fotónp. 47
- Figura 19. Código de MATLAB para determinar el evento del ataque 2_k de Evep. 51
- resultados de la simulación de Monte Carlo (rojo) con trial=1000 y Ns=500p. 48
- (azul) y resultados de la simulación de Monte Carlo (rojo) con trial=1000 y Ns=500p. 48
- para el ataque 2_1 y M = 10p. 53
- parte de Alice. Cada bola azul es una representación pictórica de un fotónp. 47
- Figura 24. Código de MATLAB para determinar el evento del ataque 3_k de Evep. 55
- resultados de la simulación de Monte Carlo (rojo) con trial=1000 y Ns=500p. 48
- (azul) y resultados de la simulación de Monte Carlo (rojo) con trial=1000 y Ns=500p. 48
- para el ataque 3_1 y M = 10p. 57
- con trial=1000 y Ns=500p. 58
- Figura 29. Modulación de coherencia en un interferómetro de Mach-Zehnderp. 60
- modo MAO con carga topológica 𝑙= −1 𝑦 1p. 62
- Figura 31. Esquema óptico del sistema de comunicación con las bases 𝜓 y 𝜉p. 66
- Figura 32. Representación en el dominio del tiempo de la señal transmitida por Alice a Bobp. 67
- Figura 34. Árbol de probabilidad para la especificación de la clavep. 68
- Figura 35. Árbol de probabilidad para la implementación del estado 𝜉1p. 69
- Figura 36. Árbol de probabilidad para la implementación del estado 𝜓1p. 70
- estado (filas)p. 73
- Figura 38. Árbol de probabilidad de la primera etapa del ataque de Evep. 77
- Figura 39. Árbol de probabilidad de la segunda etapa del ataque de Evep. 78
- Figura 40. Esquema óptico de Eve para atacar el sistemap. 79
- elemento con 21 fotones por Alice. Cada bola azul es una representación gráfica de un fotónp. 80
- gráfica de un fotónp. 81
- gráfica de un fotónp. 81
- verdoso)p. 89
- Figura 48. Circuito amplificador para la señal TTL del contador de fotonesp. 89
- H0490 en operación y abiertop. 90
- (rojo) en operación y cerradop. 91
- (rojo) en operación y abiertop. 92
- fotones H0490 en operación y cerradop. 93
- fotones H0490 en operación y abiertop. 93
- conforman un interferómetro de Mach-Zehnder. Unidades en centímetrosp. 94
- longitud de onda de 632,8 [nm]p. 96
- Figura 56. Perfil de intensidad transversal de un haz gaussianop. 96
- del haz láser a diferentes posiciones horizontalesp. 98
- del haz láserp. 98
- Figura 59. Perfil del haz a partir de la detección con el contador de fotones H0491p. 99
- salida horizontal del divisor de haz a diferentes posiciones transversales horizontalesp. 100
- salida horizontal del divisor de hazp. 100
- salida vertical del divisor de haz a diferentes posiciones transversales horizontalesp. 101
- salida vertical del divisor de hazp. 101
- posiciones transversales horizontalesp. 102
- Figura 65. Perfil del haz a partir de la detección con el contador de fotones H0491p. 103
- haz, M=espejo, QP=par de láminas λ/4 y D=detector o contador de fotonesp. 104
- el brazo inferior del interferómetrop. 105
- Figura 69. Patrón de franjas a medir con los contadores de fotonesp. 106
- H0491 (rojo)p. 107
- interferómetrop. 107
- Apéndice A. Sistema electrónico para los contadores de fotonesp. 123