INSTALACION PARA GENERAR FOTONES ENTRELAZADOS EN POLARIZACION.

Instalación (10) para generar fotones entrelazados en polarización mediante conversión descendente paramétrica,

que comprende:

* una estructura de guía de ondas (21), que está configurada en un sustrato de material ópticamente no lineal con regiones (24, 25) polarizadas periódicamente y dos guías de ondas (26, 27) que se extienden a través de las regiones (24, 25) polarizadas periódicamente,

* un divisor de haz (30), a través del cual en funcionamiento puede alimentarse a una de las guías de ondas (26) un porcentaje (a) de los fotones de bombeo (p) y a la otra guía de ondas (27) el porcentaje restante (1-a) de los fotones de bombeo (p), de tal modo que los fotones de bombeo (p) en las guías de ondas (26, 27), como consecuencia de conversión descendente paramétrica, se descomponen en fotones polarizados de señal (s) e idler (i),

* un elemento de sintonización (28, 29) térmico (40) y/o electro-óptico asociado al menos a la otra guía de ondas (27) para ajustar en fino las relaciones de longitud de onda durante la conversión descendente,

* un dispositivo (34) para la separación espectral de los fotones de señal (s) e idler (i), que presenta varias salidas (35, 36),

* un tramo de reunificación (31), a través del cual en funcionamiento los fotones de señal (s) e idler (i) pueden alimentarse al dispositivo (34) para la separación espectral,

* una instalación (29) asociada al menos a una de las guías de ondas (26) para ajustar la posición de fase relativa entre los fotones polarizados de señal (s) e idler (i) que, en funcionamiento, se aplican a las salidas (35, 36) del dispositivo separador (34) espectral,

caracterizada porque las guías de ondas (26, 27) y las regiones (24, 25) polarizadas periódicamente están configuradas de tal modo que, en funcionamiento, los fotones de bombeo (p) en una guía de ondas (26) se descomponen en fotones polarizados de señal (s) e idler (i) polarizados verticalmente y, en la otra guía de ondas (27), horizontalmente, y porque la instalación (29) para ajustar la posición de fase relativa entre los fotones polarizados de señal (s) e idler (i) es una instalación electro-óptica

Instalación para generar fotones entrelazados en polarización.

La invención se refiere a una instalación para generar fotones entrelazados en polarización mediante conversión descendente paramétrica, con una estructura de guía de ondas que está dispuesta en un sustrato de material ópticamente no lineal con regiones polarizadas periódicamente, en donde a la estructura de guía de ondas pueden alimentarse en funcionamiento fotones de bombeo desde un láser de bombeo, y en donde a continuación de la estructura de guía de ondas está dispuesto un dispositivo separador para separar los fotones entrelazados, para la transmisión específica de fotones de señal o de fotones idler.

Las instalaciones para generar fotones entrelazados en polarización se usan en especial en instalaciones criptográficas cuánticas para generar una clave cuántica. En concreto con "criptografía cuántica" se designa la técnica para generar y distribuir secretos simétricos, en donde la seguridad puede verificarse matemáticamente con exactitud, como medida para la confidencialidad y la legitimidad de dos secuencias de bit idénticas emitidas en dos puntos alejados entre sí, con métodos de la teoría de la información cuántica (seguridad de teoría de información). Los secretos simétricos generados y distribuidos pueden utilizarse en una secuencia ulterior, p.ej. como claves para procedimientos de cifrado criptográficos simétricos. En contraposición a esto no existe ninguna verificación de seguridad para sistemas de distribución de claves usuales, basados en criptografía asimétrica.

La criptografía cuántica se ha desarrollado de forma interdisciplinar entre los campos científicos física cuántica, óptica cuántica, teoría de la información, criptografía e informática. Un resumen sobre las bases y los procedimientos así como el desarrollo histórico de la criptografía cuántica están contenidos en los artículos Gisin, N., G. Ribordy, W. Tittel, H. Zbinden, "Quantum Cryptograhy", 2002 Rev. Mod. Phys. 74, 145; y Ducheck{s}ek M, N. Lütkenhaus, Hendrych, "Quantum Crytography", 2006, Progress in Optics, vol. 49, Edt. E. Wolf (Elsevier, 2006).

Un enlace criptográfico cuántico usual (inglés: quantum cryptographic link) se compone siempre de dos estaciones o conjuntos de aparatos. En la bibliografía estas estaciones se designan normalmente como componentes ALICE y BOB. Estas estaciones colocadas en dos puntos alejados entre sí están enlazadas mediante un canal cuántico óptico (enlazado por fibra de vidrio o a través del espacio libre) así como mediante un canal de comunicación usual, clásico, no codificado y electrónico, también llamado canal público.

Un enlace criptográfico cuántico de este tipo genera en sus componentes ALICE y BOB secretos simétricos lineales (es decir: idénticos en los componentes ALICE y BOB), que se envían hacia fuera para una utilización ulterior, p.ej. como claves en sistemas criptográficos conectados, a través de canales de datos.

En el caso de la criptografía cuántica en detalle se intercambian entre dos interlocutores fotones, que contienen información cuántica. Los dos interlocutores miden determinadas características de estos fotones, como p.ej. el plano de polarización, contienen los mismos resultados de medición y pueden por ello estructurar una clave cuántica idéntica. A este respecto se intercambian a través de canales públicos partes de los resultados de medición, como p.ej. los momentos exactos. De este modo los dos interlocutores pueden asociar entre sí exactamente las diferentes mediciones.

En principio existen aquí dos métodos, precisamente aquellos en los que se utilizan fotones aislados y aquello en los que utilizan fotones entrelazados. En el caso de los métodos con fotones aislados un interlocutor genera una secuencia de fotones aislados, que se envían a través de un polarizador cuyo plano de polarización se varía ocasionalmente. El ajuste del polarizador se transmite al otro socio. Si después este otro interlocutor registra un fotón, se determina con ello también claramente su plano de polarización. En este método debe garantizarse, sin embargo, que realmente sólo se genere en cada caso un único fotón, ya que en el caso de varios fotones con la misma polarización una tercera parte podría recoger un fotón.

En el método de los fotones entrelazados en polarización se generan simultáneamente dos fotones mediante una técnica especial, que contienen la misma información cuántica. En cada caso se envía un fotón a uno de los dos interlocutores, de tal modo que los dos interlocutores obtienen simultáneamente un idéntico resultado de medición y, de este modo, cada uno puede estructurar por sí mismo la misma clave cuántico.

La base para que cada instalación genere fotones entrelazados es la conversión descendente paramétrica en un cristal no lineal, en el que se transforman fotones de bombeo (subíndice p) en unos llamados fotones de señal (subíndice s) y fotones idler (subíndice i). Desde el punto de vista de la mecánica cuántica se convierte el estado |Prangle en el estado de producto |srangle|lrangle. El responsable del proceso de conversión descendente es el sensor de susceptibilidad 100 que enlaza la polarización no lineal (cuadrática) con el campo eléctrico E de la forma siguiente:

Para los componentes temporales de Fourier de los campos se obtiene la siguiente relación:

en donde se aplica la relación 101 Para la transformación de un fotón de bombeo en un fotón de señal y uno idler debe cumplirse la conservación de la energía

así como la condición de adaptación de fase

en donde con ? se designa la frecuencia circular y con se designan las constantes de propagación respectivas. Se ha previsto propagación de ondas la dirección x.overline{n} es el factor de refracción (efectivo) para la respectiva frecuencia/polarización de la onda electromagnética y c la velocidad de la luz en el vacío.

Debido a que la condición de adaptación de fase, ecuación (1), no puede cumplirse sin más, es favorable utilizar cristales polarizados periódicamente, en los que los dominios ferro-eléctricos están polarizados con un periodo de polaridad ?, alternativamente en la dirección (+c) y (-c) del cristal. De este modo debe cumplirse, en el caso del proceso de conversión descendente, la condición de cuasi-adaptación de fase

en donde en este caso se produce el acoplamiento entre el campo de bombeo, de señal e idler a través de la componente m de Fourier del sensor de susceptibilidad 103

En un cristal de niobato de litio (LiNbO₃) con orientación z, el coeficiente no lineal máximo es el coeficiente d₃₃ = ?^{(2)}₃₃₃}/2, que está enlazado con la conversión de tipo I de un fotón de bombeo polarizado en vertical (es decir, z) en fotones de señal e idler polarizados verticalmente (transición ). El coeficiente no lineal, que es responsable de la conversión de tipo I de un fotón de bombeo polarizado verticalmente en fotones de señal e idler polarizados horizontalmente (transición ), es el coeficiente d₃₁ = ?^(2)₃₁₁/2, que presenta un importe aproximado de tal solo una séptima parte del valor de d₃₃.

La eficiencia ? de la conversión descendente al recorrer un tramo de longitud L puede calcularse bajo la premisa de agotamiento de la onda de bombeo (es decir, la energía...

1. Instalación (10) para generar fotones entrelazados en polarización mediante conversión descendente paramétrica, que comprende:

* una estructura de guía de ondas (21), que está configurada en un sustrato de material ópticamente no lineal con regiones (24, 25) polarizadas periódicamente y dos guías de ondas (26, 27) que se extienden a través de las regiones (24, 25) polarizadas periódicamente,

* un divisor de haz (30), a través del cual en funcionamiento puede alimentarse a una de las guías de ondas (26) un porcentaje (a) de los fotones de bombeo (p) y a la otra guía de ondas (27) el porcentaje restante (1-a) de los fotones de bombeo (p), de tal modo que los fotones de bombeo (p) en las guías de ondas (26, 27), como consecuencia de conversión descendente paramétrica, se descomponen en fotones polarizados de señal (s) e idler (i),

* un elemento de sintonización (28, 29) térmico (40) y/o electro-óptico asociado al menos a la otra guía de ondas (27) para ajustar en fino las relaciones de longitud de onda durante la conversión descendente,

* un dispositivo (34) para la separación espectral de los fotones de señal (s) e idler (i), que presenta varias salidas (35, 36),

* un tramo de reunificación (31), a través del cual en funcionamiento los fotones de señal (s) e idler (i) pueden alimentarse al dispositivo (34) para la separación espectral,

* una instalación (29) asociada al menos a una de las guías de ondas (26) para ajustar la posición de fase relativa entre los fotones polarizados de señal (s) e idler (i) que, en funcionamiento, se aplican a las salidas (35, 36) del dispositivo separador (34) espectral,

caracterizada porque las guías de ondas (26, 27) y las regiones (24, 25) polarizadas periódicamente están configuradas de tal modo que, en funcionamiento, los fotones de bombeo (p) en una guía de ondas (26) se descomponen en fotones polarizados de señal (s) e idler (i) polarizados verticalmente y, en la otra guía de ondas (27), horizontalmente, y porque la instalación (29) para ajustar la posición de fase relativa entre los fotones polarizados de señal (s) e idler (i) es una instalación electro-óptica.

2. Instalación según la reivindicación 1, caracterizada porque el divisor de haz (30) está configurado en el sustrato (20) y presenta una disposición de guía de ondas con dos guías de ondas (60, 61), a las que están unidas las dos guías de ondas (26, 27) conectadas en paralelo.

3. Instalación según la reivindicación 1, caracterizada por un dispositivo de sintonización electro-óptico (62, 63) asociado al divisor de haz (30) en el sustrato (20), para ajustar la relación de distribución de los fotones de bombeo (p) alimentados a la estructura de guía de ondas (21) entre las guías de ondas (26, 27).

4. Instalación según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el dispositivo (34) para la separación espectral depende de la polarización.

5. Instalación según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el dispositivo (34) para la separación espectral está conectado a una guía de ondas de reunificación (31), que forma el tramo de reunificación (31) en el sustrato (20).

6. Instalación según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque al menos la otra guía de ondas (27) es una guía de ondas nervada.

7. Instalación según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque al menos la otra guía de ondas (27) es una guía de ondas de zona de difusión.

8. Instalación según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque mediante selección de los periodos y de las disposiciones de polarización de las regiones de sustrato (24, 25) polarizadas periódicamente los fotones de señal (s) y los fotones idler (i), en las dos guías de ondas (26, 27), se generan en cada caso con la misma longitud de onda.

9. Instalación según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque el elemento de sintonización (40) comprende un elemento calefactor (40) unido al sustrato (20) para la sintonización térmica.

10. Instalación según la reivindicación 9, caracterizada porque el elemento calefactor (40) está formado por un elemento Peltier unido al sustrato (20).

11. Instalación según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque el sustrato (20) está formado por niobato de litio.

12. Instalación según la reivindicación 11 y la reivindicación 7, caracterizada porque las guías de ondas (26, 27) son guías de ondas formadas mediante difusión de Ti o Zn.