The protection of confidential data is a fundamental need in the society in which we live. This task becomes more relevant when observing that every day, data traffic increases exponentially, as well as the number of attacks on the telecommunication infra-structure. From the natural sciences, it has been strongly argued that quantum communication has great potential to solve this problem, to such an extent that various governmental and industrial entities believe the protection provided by quantum communications will be an important layer in the field of information security in the next decades. However, integrating quantum technologies both in current optical networks and in industrial systems is not a trivial task, taking into account that a large part of current quantum optical systems are based on bulk optical devices, which could become an important limitation. Throughout this thesis we present an all-in-fiber optical platform that allows a wide range of tasks that aim to take a step forward in terms of generation and detection of photonic states. Among the main features, the generation and detection of photonic quantum states carrying orbital angular momentum stand out.   

The platform can also be configured for the generation of random numbers from quantum mechanical measurements, a central aspect in future information tasks.  

Our scheme is based on the use of new space-division-multiplexing (SDM) technologies such as few-mode-fibers and photonic lanterns. Furthermore, our platform can also be scaled to high dimensions, it operates in 1550 nm (telecommunications band) and all the components used for its implementation are commercially available. The results presented in this thesis can be a solid alternative to guarantee the compatibility of new SDM technologies in emerging experiments on optical networks and open up new possibilities for quantum communication. 

Skydd av konfidentiell information är ett grundläggande behov i det samhälle vi lever i. Denna uppgift blir mer relevant när man observerar att datatrafiken ökar exponentiellt varje dag, liksom antalet attacker på telekommunikationsinfrastrukturen. Från naturvetenskapen har det starkt hävdats att kvantkommunikation har en stor potential att lösa detta problem, i en sådan utsträckning att olika statliga och industriella enheter tror att skyddet som tillhandahålls av kvantkommunikation kommer att vara en viktig del av informationssäkerhet de kommande decennierna.

Att implementera kvantteknik både i nuvarande optiska nätverk och i industriella system är dock inte en trivial uppgift, med tanke på att en stor del av nuvarande kvantoptiska system inte är i optiska fiber, vilket kan bli en begränsning. Genom hela denna avhandling presenterar vi en plattform som är helt konstruerad med optiska fiber som tillåter ett brett utbud av uppgifter som syftar till att ta ett steg framåt när det gäller integration med nu-varande optiska nätverk. Bland huvuddragen i denna idé utmärker den skapandet och detekteringen av fotoniska kvanttillstånd i  ”Orbital Angular Momentum”, såväl som allmänna överlagringar  av rumsliga optiska moder som kan transmitteras inom en optisk fiber. Plattformen kan också konfigureras för generering av slumptal från kvantmekaniska mätningar, vilket är en central aspekt i framtida hantering av information.  

Vår plattform är baserad på användningen av nya tekniker för ”Space Division Multiplexing” (på Engelska) såsom ”few-mode-fibers” och ”photonic lanterns”. Dessutom kan vår plattform skalas till högre dimensioner, den fungerar i 1550 nm (telekommunikationsbandet) och alla komponenter som används för dess implementering är kommersiellt tillgängliga, därför kan resultaten som presenteras i denna avhandling vara ett robust alternativ för att säkerställa kompatibiliteten av nya framväxande teknologier och experiment med nästa generations optiska nätverk och öppnar nya möjligheter för kvantkommunikation.   

Random numbers are a necessary resource in many fields of computer science and natural sciences. They are used in a wide range of applications, including simulations, statistical sampling, gaming, and cryptography. Traditional randomness in computing is often generated by pseudo-random number generators (PRNGs), which are software algorithms that produce sequences of numbers that appear random but are actually deterministic. If enough of the internal state of the PRNG is known, any future output can be predicted. This is particularly problematic in cryptographic applications, where the security of the system relies on the unpredictability on randomly generated passwords and keys. In cryptography, it is also important that the random numbers are private, meaning that they must not be known by a possible attacker. The concept of privacy is best illustrated by an attack scenario where an adversary has pre-programmed the random number generator to generate a (for the adversary) known sequence. The sequence can then appear to be random, even though it is not private, as information about the sequence exists both with the legitimate user and with the attacker.

Quantum mechanics provides a fundamentally different approach to randomness generation, as it allows us to generate truly random numbers based on the inherent uncertainty when measuring quantum states. Quantum random number generators (QRNGs) exploit the probabilistic nature of quantum mechanics to produce random numbers that are not predictable, regardless of how much knowledge one has about the generator. The theoretical frameworks within quantum mechanics also offer the possibility to implement modern protocols that can certify the generated numbers to be private, ensuring that the QRNGs are secure against potential adversaries.

In this thesis, we present contributions to the field of photonic quantum random number generation, focusing on alternative implementations of measurement-device-independent (MDI) protocols. These protocols aim to eliminate potential vulnerabilities associated with the measurement devices used in QRNGs. We show that fiber-optic interferometers are a suitable platform for preparing quantum states for MDI-QRNGs, and we demonstrate the use of Sagnac interferometers as state preparation devices. We also explore novel platforms such as perovskite light-emitting diodes for quantum information processing tasks.

By combining experimental innovation with modern theoretical frameworks, this thesis presents a series of advancements that push the boundaries of quantum random number generation. It demonstrates that high-quality, certifiable, and private randomness can be generated using accessible and scalable technologies, paving the way for secure crypto-graphic hardware that is resilient to both classical and quantum adversaries.

Slumptal är en nödvändig resurs för många områden inom datavetenskapen och naturvetenskapen. De används för en mängd olika ändamål, såsom simuleringar, statistiska urval, spel och kryptografi. Traditionellt genereras slump i datorer ofta av pseudo-slumptalsgeneratorer (PRNG) vilka är mjukvarualgoritmer som producerar sekvenser av tal som verkar slump-mässiga men som i själva verket är deterministiska. Om tillräckligt mycket av det interna tillståndet i PRNG:n är känt kan framtida utdata förutsägas. Detta är särskilt problematiskt i kryptografiska tillämpningar, där systemets säkerhet är beroende av oförutsägbarheten hos slumpmässigt genererade lösenord och nycklar. Inom kryptografi är det också viktigt att de slumpmässiga talen är privata, vilket innebär att de inte får vara kända av en eventuell angripare. Konceptet privathet illustreras bäst av ett attackscenario där en angripare har förprogrammerat slumptalsgeneratorn att generera en (för angriparen) känd sekvens. Sekvensen kan då verka slumpmässig, även om den inte är privat, eftersom information om sekvensen finns både hos den legitima användaren och hos angriparen.

Kvantmekaniken möjliggör ett fundamentalt annorlunda tillvägagångssätt för generering av slumpmässiga tal, eftersom det baserat på den inneboende osäkerheten i kvantmekaniska mätningar går att generera äkta slumptal. Kvantslumptalsgeneratorer (QRNG) utnyttjar den probabilistiska naturen hos kvantmekanik för att producera slumpmässiga tal som inte är förutsägbara, oavsett hur mycket vetskap man har om generatorn. De teoretiska ramverken inom kvantmekaniken ger också möjligheten att implementera moderna protokoll som kan certifiera att de genererade talen är privata, vilket säkerställer att QRNG:n är säker mot potentiella angripare.

I denna avhandling presenterar vi bidrag till området fotoniska kvantslumptalsgeneratorer, med fokus på alternativa implementeringar av measurement-device-independent-protokoll (MDI-protokoll). Dessa protokoll syftar till att eliminera potentiella sårbarheter som är förknippade med mätapparaten som används i QRNG:n. Vi visar att fiberoptiska interferometrar är en lämplig plattform för att bereda kvanttillstånd för MDI-QRNG:er, och vi demonstrerar användandet av Sagnac-interferometrar som tillståndsberedningsenheter. Vi utforskar också nya plattformar såsom perovskitlysdioder för att utföra behandling av kvantinformation.

Genom att kombinera experimentell innovation med moderna teoretiska metoder presenterar denna avhandling en serie framsteg som utmanar gränserna för kvantslumptalsgenerering. Avhandlingen visar att högkvalitativ, certifierbar och privat slump kan genereras med hjälp av tillgänglig och skalbar teknik, vilket banar väg för säker kryptografisk hårdvara som är motståndskraftig mot såväl klassiska angrepp som kvantangripare.