High throughput photon matching algorithm for QKD and its RTL implementation

Abstract

While means to communicate increase with the technological advancements, at the same time the methods to steal information during communication also advance. With these advancements, the need for a method to communicate without anyone stealing the shared information increases. Most of the communication methods used today are classical information channels, which involve sending data that can be very easily eavesdropped. On the other hand, quantum information channels use the principles of quantum mechanics that make the information secure even if a third party tries to listen using the best technology. One of the quantum communication methods is Quantum Key Distribution (QKD). With this method, an entangled photon source generates a few million photon pairs in a second and sends the photons of each pair to two terminals. Afterwards, these two terminals match the photons they received. This thesis explains the development process of a high throughput matching algorithm and its implementation in Python and Verilog. The algorithm developed has 3 parts, namely, finding entangled photon starting time for each terminal, entangled photon start time difference for the two terminals, and matching the photons. Our algorithm's Verilog implementation can match 30 million photon pairs per second and can be easily tuned for different protocols.

Teknolojik gelişmelerle iletişim kurma araçları artarken aynı zamanda iletişim sırasında bilgi çalma yöntemleri de gelişmektedir. Bu gelişmelerle birlikte, paylaşılan bilgileri kimse çalmadan iletişim kurmak için bir yönteme olan ihtiyaç artıyor. Günümüzde kullanılan iletişim yöntemlerinin çoğu, kolayca dinlenebilecek verilerin gönderilmesini içeren klasik bilgi kanallarıdır. Öte yandan, kuantum bilgi kanalları, üçüncü bir taraf en iyi teknolojiyi kullanarak dinlemeye çalışsa bile bilgiyi güvenli kılan kuantum mekaniği ilkelerini kullanır. Kuantum iletişim yöntemlerinden biri de Kuantum Anahtar Dağıtımıdır. Bu yöntemle bir dolaşık foton kaynağı saniyede birkaç milyon foton çifti üretir ve her bir çiftin fotonlarını iki terminale gönderir. Daha sonra bu iki terminal aldıkları fotonları eşleştirir. Bu tez, yüksek hızlı bir eşleştirme algoritmasının geliştirme sürecini ve Python ve Verilog'daki gereklemesini açıklamaktadır. Geliştirilen algoritma her terminal için dolaşık foton başlama zamanını, iki terminal için dolaşık foton başlama zamanı farkını bulma ve fotonları eşleştirme olmak üzere 3 bölümden oluşmaktadır. Algoritmamızın Verilog uygulaması, saniyede 30 milyon foton çiftiyle eşleşebilir ve farklı protokoller için kolayca ayarlanabilir.