Kvantové optické komunikace a sítě

Garant předmětu:

Leoš Boháč

Přednášející:

Leoš Boháč

Cvičící:

Leoš Boháč

Předmět zajišťuje:

katedra telekomunikační techniky

Anotace:

Cílem kurzu je poskytnout komplexní, inženýrský vhled do problematiky optických komunikací se zaměřením na kvantovou distribuci klíče (QKD). Předmět boří hranice mezi tradičními disciplínami a integruje znalosti z vlnové optiky, hardwarové architektury a síťové bezpečnosti. Studenti se naučí chápat komunikační systém jako jeden celek, kde fyzikální vrstva přímo definuje limity a možnosti digitální bezpečnosti. Kurz připravuje na reálné výzvy při nasazování kvantových technologií do stávající telekomunikační infrastruktury.

Požadavky:

Základní znalosti fyziky (optika, elektromagnetismus) a principů datových sítí. Výhodou je základní orientace v kryptografii a matematické statistice a základy kvantové mechaniky.

Osnova přednášek:

1.Úvod do optických komunikací.

2.Kvantový internet.

3.Základy klasické praktické kryptografie.

4.Technologické prvky pro kvantové sítě.

5.Základy principy funkce systémů kvantového přenosu klíče.

6.Protokoly s přípravou kvantového stavu a jeho následným měřením.

7.Protokoly CV, MDI a s provázáním: varianty a výkonnostní parametry.

8.Architektura a topologie sítí určených pro přenos kvantového klíče.

9.Základy optického přenosu dat volných prostorem (Free space optics, FSO).

10.Systémy kvantového přenosu volným prostorem pozemní a satelitní způsoby přenosu, vlivy atmosféry, konfigurace.

11.Bezpečnost systémů a sítí kvantového přenosu klíče.

12.Základy integrované optiky.

13.Integrované optické komponenty pro kvantovou éru a jejich parametry.

Osnova cvičení:

1. Výpočet parametrů optické vláknové trasy. Ukázka optických vláknových telekomunikačních systémů. Měření optických vláknových tras a důležitost parametrů pro optický kvantový přenosu.

2. Praktická měření v IP sítích a ukázka směrování.

3. Praktická ukázka přenosu dat pomocí šifrované komunikace, ukázka PKI, generování klíčů.

4. Měření optických komponent. Optický vazební článek. Polarizační rozbočovače, interferometry. Porušení Bell nerovnosti.

5. Základní experimenty s protokolem BB84

6. Simulace protokolů pro kvantovou distribuci klíče.

7. Měření na reálném QKD systém - sifting .

8. Měření na reálném QKD systému - ER a PA

9. FSO měření sestavení a nasměrování FSO spoje, měření přenosu komunikačních FSO parametrů

10. FSO měření - Hong-Ou-Mandel interferometer - demonstrace 2-fotonové interference.

11. FSO měření přenosu QKD

12. Návrh optických planárních vlnovodů a planárních struktur. Exkurze do laboratoře nanoelektronických technologií - depozice atomárních vrstev (ALD), hluboké reaktivní iontové leptání (DRIE), litografie s přímým zápisem.

13. Simulace polovodičových laserů na bázi nanodrátů pomocí systému Silvaco TCAD. Simulace diody PN a lavinové fotodiody. Kvantové simulace nanostruktur: porovnání energetických stavů a vlnových funkcí atomů a kvantových teček různých tvarů a rozměrů."Není dosud vyplněno.

Cíle studia:

Cílem předmětu je poskytnout studentům komplexní přehled o fungování moderních kvantových komunikačních systémů. Po absolvování budou studenti schopni:

a. Vysvětlit principy QKD a rozdíly mezi klasickou a kvantovou kryptografií.

b. Navrhnout a změřit parametry optické trasy pro kvantový přenos.

c. Obsluhovat QKD systémy a provádět na nich bezpečnostní a výkonnostní měření.

d. Orientovat se v technologiích integrované optiky a nanofotoniky pro kvantové aplikace.

Studijní materiály:

[1] Van Meter, R. (2014). Quantum Networking. ISTE Ltd and John Wiley & Sons, Inc.

[2] Musa, Sarhan M..Network Security and Cryptography, Mercury Learning & Information, 2022. ProQuest Ebook Central.

[3] Duarte, F. J.. Quantum Optics for Engineers : Quantum Entanglement, Taylor & Francis Group, 2024.

[4] Mehic, Miralem, et al. Quantum Key Distribution Networks : A Quality of Service Perspective, Springer International Publishing AG, 2022. ProQuest Ebook Central.

[5] Gjøsteen, Kristian. Practical Mathematical Cryptography, CRC Press LLC, 2022.

[6] Bertaccini, Massimo. Cryptography Algorithms : A Guide to Algorithms in Blockchain, Quantum Cryptography, Zero-Knowledge Protocols, and Homomorphic Encryption, Packt Publishing, Limited, 2022.

[7] Jogenfors, Jonathan. Breaking the Unbreakable : Exploiting Loopholes in Bell's Theorem to Hack Quantum Cryptography, Linkopings Universitet, 2017.

[8] Benslama, Malek, et al. Quantum Communications in New Telecommunications Systems, John Wiley & Sons, Incorporated, 2017.

[9] Lek, Kamol, and Naruemol Rajapakse. Cryptography : Protocols, Design, and Applications, Nova Science Publishers, Incorporated, 2012.

[10] Simon, David S., et al. Quantum Metrology, Imaging, and Communication, Springer International Publishing AG, 2016.

[11] Fox, Mark. Quantum Optics : An Introduction, Oxford University Press, Incorporated, 2006.

[12] Ciesla, Robert. Encryption for Organizations and Individuals : Basics of Contemporary and Quantum Cryptography, Apress L. P., 2020.

[13] Simon, David S., et al. Quantum Metrology, Imaging, and Communication, Springer International Publishing AG, 2016.

[14] Mishra, Vinod K.. An Introduction to Quantum Communication, Momentum Press, 2016.

[15] Superconducting Devices in Quantum Optics, edited by Robert Hadfield, and Göran Johansson, Springer International Publishing AG, 2016.

[16] Capmany, José, and Daniel Pérez. Programmable Integrated Photonics, Oxford University Press, Incorporated, 2020.

[17] Majumdar, Arun K.. Advanced Free Space Optics (FSO) : A Systems Approach, Springer New York, 2014.

[18] Photodetectors : Materials, Devices and Applications, edited by Bahram Nabet, Elsevier Science & Technology, 2023.

Poznámka:

Předmět je vhodný pro studenty se zájmem o budoucí technologie telekomunikačních sítí a kybernetickou bezpečnost. Důraz je kladen na praktické experimenty s reálným QKD hardwarem.

Rozvrh na zimní semestr 2025/2026:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2025/2026:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po
Út	místnost T2:B3-812a Boháč L. 14:30–16:00 (přednášková par. 1) Dejvice Laboratoř K132místnost T2:B3-606 Boháč L. 16:15–17:45 (přednášková par. 1 paralelka 101) Dejvice Laboratoř K132
St
Čt
Pá

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Kvantová informatika (povinný předmět programu)
• Mgr. program Aplikovaná informatika (kód ANI) pro fázi studia bez specializace (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Embedded systémy (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Manažerská informatika, 2026 (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Softwarové inženýrství, program ANI (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Webové inženýrství (volitelný předmět)
• Mgr. specializace Visual computing a Game design (volitelný předmět)
• Quantum Informatics (povinný předmět programu)
• Komunikace a internet věcí - Inteligentní komunikační sítě (povinně volitelný předmět)
• Komunikace a internet věcí - Bezdrátová technika a fotonika (povinně volitelný předmět)