Experimental implementation and performance modelling of quantum key distribution in fiber, free-space and satellite networks

Abstract

Quantum Key Distribution (QKD) has matured from a theoretical curiosity into a practical technology capable of securing future communication infrastructures against the threats posed by quantum computing. Positioned alongside post-quantum cryptography, QKD provides a complementary approach for enabling information theoretic secure communications guaranteed by the laws of physics. However, the transition from isolated laboratory demonstrations to widespread, scalable deployment remains challenging, primarily due to the highcost of dedicated equipment, the difficulty of integration with existing infrastructure, and the complexity of global-scale coverage. This thesis addresses these challenges through a comprehensive study spanning fundamental principles, experimental implementations, and system-level modelling, covering the entire development chain from hardware-level optimization to network integration and satellite-based QKD system modelling. Building upon the theoretical foundations of quantum mechanics and key QKD protocols, the experimental foundation of this work focuses on the development and characterization of robust QKD hardware. A keymilestone is the design and implementation of the Single Photon Polarization-Encoded System (SPPES), which serves as a versatile testbed for evaluating QKD performance through single photon-level exchange over fiber or free-space links. Building on this platform, a polarization-encoded QKD source was developed and optimized for practical deployment. Moving beyond the laboratory, this work demonstrates the practical integration of the QKD source into operational environments, targeting the critical challenge of quantum classical coexistence. In the optical fiber domain, the thesis investigates the integration of QKD signals within deployed backhaul and fronthaul network segments, verifying the system's ability to operate alongside highpower classical data traffic without necessitating expensive dark fibers. Complementing this, a terrestrial FreeSpace Optical (FSO) link was established in a metropolitan environment, demonstrating the successful transmission of quantum signals over a turbulent, noisy channel under nighttime and daylight conditions. This field trial highlights the potential of FSO technology to serve as a flexible "last-mile" solution for urbanquantum connectivity. Finally, to extend QKD beyond terrestrial limitations and address the challenge of global-scale distribution, the thesis provides extensive modelling of Satellite-to-Ground QKD links. A comprehensive software simulation tool was developed to model the complex interplay between orbital dynamics, atmospheric channel effects, and protocol performance. Through this tool, a rigorous feasibility analysis was conducted for hybrid satellite-fiber network architectures to define the strict system requirements necessary for future satellite missions. The results offer critical insights for mission planning, effectively de-risking future deployments and establishing a roadmap for the realization of global satellite-based quantum networks. In summary, this work bridges the gap between fundamental component design and large-scale network deployment. By advancing the field from the optimization of 'inside-the-box' critical hardware details to the modeling and planning of global QKD networks via satellite links, this thesis lays the essential groundwork for the next generation of quantum-secured networks. Collectively, these experimental and theoretical contributions provide a pathway for integrating quantum cryptography into real-world systems, effectively building the ground towards future global quantum communication networks

Η Κβαντική Διανομή Κλειδιού (Quantum Key Distribution - QKD) έχει ωριμάσει από μια θεωρητική σύλληψη σε μια πρακτική τεχνολογία για την διασφάλιση των μελλοντικών υποδομών επικοινωνίας έναντι της απειλής των κβαντικών υπολογιστών. Τοποθετημένη παράλληλα με τη μετα-κβαντική κρυπτογραφία, η QKD παρέχει μια συμπληρωματική προσέγγιση για την επίτευξη απόλυτα ασφαλών επικοινωνιών, εγγυημένων από τους νόμους της φυσικής. Ωστόσο, η μετάβαση από τις μεμονωμένες εργαστηριακές επιδείξεις στην ευρεία ανάπτυξη αντιμετωπίζει σημαντικά εμπόδια, τα οποία αφορούν κυρίως το κόστος του εξειδικευμένου εξοπλισμού, την πρακτική υλοποίηση πάνω στις υφιστάμενες υποδομές, καθώς και την πολυπλοκότητα της παγκόσμιας κάλυψης. Η παρούσα διατριβή αντιμετωπίζει αυτές τις προκλήσεις μέσω μιας ολοκληρωμένης μελέτης που εκτείνεται από τις θεμελιώδεις αρχές μέχρι τις πειραματικές υλοποιήσεις και τη μοντελοποίηση σε επίπεδο συστήματος, στοχεύοντας στη γεφύρωση αυτών των κενών και καλύπτοντας ολόκληρη την αλυσίδα ανάπτυξης: από τη βελτιστοποίηση του hardware σε επίπεδο συσκευών QKD ("inside-the-box") έως την ενσωμάτωση σε επίπεδο παγκόσμιου δικτύου και τη μοντελοποίηση δορυφορικών συστημάτων. H πειραματική βάση αυτής της εργασίας εστιάζει στην ανάπτυξη και τον χαρακτηρισμό QKD hardware. Ένα βασικό ορόσημο που παρουσιάζεται είναι ο σχεδιασμός και η υλοποίηση της Διάταξης Ανταλλαγής Μοναδικών Φωτονίων (Single Photon Exchange Setup) η οποία λειτουργεί ως μια ευέλικτη πλατφόρμα δοκιμών για την αξιολόγηση της απόδοσης εξαρτημάτων μέσω ανταλλαγής σε επίπεδο φωτονίου, σε ζεύξεις οπτικών ινών ή ελεύθερου χώρου. Βασιζόμενη σε αυτό, αναπτύχθηκε και βελτιστοποιήθηκε για χρήση μια πηγή QKD με κωδικοποίηση πόλωσης. Προχωρώντας πέρα από το εργαστήριο, η εργασία επιδεικνύει την πρακτική ενσωμάτωση αυτής της πηγής QKD σε επιχειρησιακά περιβάλλοντα, στοχεύοντας στην κρίσιμη πρόκληση της συνύπαρξης κβαντικών και κλασικών τηλεπικοινωνιακών σημάτων. Στον τομέα των οπτικών ινών, η διατριβή διερευνά την ενσωμάτωση σημάτων QKD σε εγκατεστημένα τμήματα δικτύου backhaul και fronthaul, επιβεβαιώνοντας την ικανότητα του συστήματος να λειτουργεί παράλληλα με κλασική κίνηση δεδομένων υψηλής ισχύος, χωρίς να απαιτούνται δαπανηρές "σκοτεινές" ίνες. Συμπληρωματικά, εγκαταστάθηκε μια επίγεια ζεύξη Οπτικής Ελεύθερου Χώρου (FSO) σε μητροπολιτικό περιβάλλον, επιδεικνύοντας την επιτυχή μετάδοση κβαντικών σημάτων μέσω ενός θορυβώδους καναλιού, τόσο σε νυχτερινές όσο και σε συνθήκες ημέρας. Αυτή η δοκιμή πεδίου αναδεικνύει τις δυνατότητες της τεχνολογίας FSO να λειτουργήσει ως μια ευέλικτη λύση "τελευταίου μιλίου" για την αστική κβαντική διασυνδεσιμότητα. Τέλος, για να επεκτείνει την QKD πέρα από τους επίγειους περιορισμούς και για την αντιμετώπιση της πρόκλησης της παγκόσμιας διανομής, η διατριβή παρέχει εκτενή μοντελοποίηση των ζεύξεων QKD Δορυφόρου-Γης. Αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο εργαλείο προσομοίωσης για τη μοντελοποίηση της περίπλοκης αλληλεπίδρασης μεταξύ της τροχιακής δυναμικής, των επιδράσεων του ατμοσφαιρικού καναλιού και της απόδοσης των QKD πρωτοκόλλων. Μέσω αυτού του εργαλείου, διεξήχθη μια αυστηρή ανάλυση για υβριδικές αρχιτεκτονικές δορυφορικών-οπτικών δικτύων, για τον καθορισμό των απαιτήσεων συστήματος που είναι απαραίτητες για μελλοντικές δορυφορικές αποστολές. Τα αποτελέσματα προσφέρουν κρίσιμα συμπεράσματα για τον σχεδιασμό αποστολών, μειώνοντας αποτελεσματικά το ρίσκο μελλοντικών υλοποιήσεων και καθιερώνοντας έναν οδικό χάρτη για την υλοποίηση παγκόσμιων κβαντικών δικτύων βασισμένων σε δορυφόρους. Συνοψίζοντας, η εργασία αυτή γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ του σχεδιασμού θεμελιωδών εξαρτημάτων και της ανάπτυξης δικτύων μεγάλης κλίμακας. Προάγοντας το πεδίο από τη βελτιστοποίηση κρίσιμων λεπτομερειών hardware σε επίπεδο συσκευής ("inside-the-box") έως τη μοντελοποίηση και τον σχεδιασμό παγκόσμιων δικτύων QKD μέσω δορυφορικών ζεύξεων, η παρούσα διατριβή θέτει τις απαραίτητες βάσεις για την επόμενη γενιά κβαντικά ασφαλών δικτύων. Αυτές οι πειραματικές και θεωρητικές συνεισφορές παρέχουν μια ολιστική πορεία για την ενσωμάτωση της κβαντικής κρυπτογραφίας σε πραγματικά συστήματα, προετοιμάζοντας ουσιαστικά το έδαφος για τα μελλοντικά παγκόσμια δίκτυα κβαντικών επικοινωνιών