Lo scopo della tesi e testare la fattibilita della codifica time-bin per QKD lungo un canale spaziale realizzato tra un satellite Low Earth Orbit e il Matera Laser Ranging Observatory (MLRO) a Matera. Si presentano i concetti base di Informazione Quantistica, alcuni protocolli di Comunicazione Quantistica e lo stato dell'arte delle comunicazioni quantistiche spaziali. Viene presentata poi la codifica in fase, realizzata con tecniche interferometriche, l'idea alla base del test, la realizzazione dell'esperimento presso MLRO e l'analisi dati.
Lo scopo della tesi e testare la fattibilita della codifica time-bin per QKD lungo un canale spaziale realizzato tra un satellite Low Earth Orbit e il Matera Laser Ranging Observatory (MLRO) a Matera. Si presentano i concetti base di Informazione Quantistica, alcuni protocolli di Comunicazione Quantistica e lo stato dell'arte delle comunicazioni quantistiche spaziali. Viene presentata poi la codifica in fase, realizzata con tecniche interferometriche, l'idea alla base del test, la realizzazione dell'esperimento presso MLRO e l'analisi dati.
Una problema aperto sulle comunicazioni quantistiche nello Spazio riguarda la capacita`di preservazione dello stato di polarizzazione da parte di telescopio e delle ottiche mobili annesse, nonch e il controllo dell’allineamento tra le basi di polarizzazione del trasmettitore e del ricevitore.
In questo lavoro di tesi verra` trattato questo aspetto importante attraverso lo sviluppo di un polarimetro per analizzare le proprieta` di polarizzazione di un canale quantistico fra la Terra e lo Spazio. Lo scopo principale di questo strumento `e quello di misurare la matrice di Mueller di un canale classico di Laser Ranging. Per fare cio` verra` sfruttato il sistema messo a disposizione dal Matera Laser Ranging Observatory (MLRO) dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI).
Questo lavoro di tesi e incentrato principalmente nelle tecniche avanzate di ottimizzazione per comunicazioni quantistiche, ed in generale applicazioni a regime di singolo fotone in spazio libero.
Si tratta di un’attivita inserita nell’ambito di vari progetti che coinvolgono i dipartimenti di Ingegneria dell’Informazione e Astronomia dell’Universita degli Studi di Padova. Il lavoro svolto e introdotto da una sezione dedicata alla crittografia classica, seguita da una parte dedicata alla crittografia quantistica che ne illustra i concetti base e i principali protocolli. Si da inoltre particolare risalto alle tecnologie attualmente impiegate per l’implementazione di sistemi reali QKD (Quantum Key Distribution).
In particolare verra descritto QuAKE: il sistema di crittografia quantistica basato su protocollo B92, le cui fasi di composizione e collaudo sono state svolte presso i laboratori LUXOR dell’Universita degli Studi di Padova. Si iniziera da una descrizione generale del sistema, in cui si espongono e analizzano le scelte progettuali per la realizzazione
dell’apparato; in seguito si esporranno le soluzioni adottate per
l’assemblaggio dell’ottica del trasmettitore e del ricevitore, andando a caratterizzare singolarmente tutti i componenti utilizzati nel sistema.
Si illustrera in dettaglio la fase di montaggio di QuAKE, mettendo
in rilievo le difficolta incontrate e le relative soluzioni adottate. Ampio risalto verra riservato ai test sperimentali effettuati. Verranno inoltre descritti con accuratezza tutti i software, proprietari e non, utilizzati, in modo da rendere questa tesi una guida utile per il setup completo del sistema. Alla fine si esporranno i risultati empirici ottenuti in laboratorio e i possibili sviluppi futuri
VERSIONE IN ITALIANO: In questa tesi sviluppo un apparato di quantum key dstribution (QKD) basato su qubit codificati in time-bin nella banda C pensato per una infrastruttura mista, ossia tale da combinare un canale in spazio libero orizzontale con un'infrastruttura di fibra dedicata — cioè dedicata esclusivamente all'uso sperimentale. Sono stati usati due canali in spazio libero in due esperimenti diversi, uno di circa 50 m e il secondo di circa 500 m. Il segmento di fibra ottica invece collega il ricevitore posto sulla sommità dell'edifico con il laboratorio. I due test hanno prodotto tassi di chiave segreta medi rispettivamente di 793 kbps e 40 kbps, sia in condizioni diurne sia notturne. I risultati confermano che i vantaggi della banda C superano l'aumento della divergenza del fascio e che il sistema riesce a interconnettere le reti di fibra terrestri con lo spazio libero, aprendo la strada a futuri collegamenti quantistici satellitari e avvicinando la visione di un vero Internet quantistico globale alla realtà. ENGLISH VERSION: In this thesis I develop a quantum key distribution (QKD) apparatus based on qubits encoded in time-bin in the C-band, designed for a hybrid infrastructure — that is, one combining a horizontal free-space channel with a dedicated fiber infrastructure (dedicated exclusively to experimental use). Two free-space channels were used in two separate experiments: one of approximately 50 m and the second of approximately 500 m. The optical fiber segment connects the receiver located on top of the building to the laboratory. The two tests produced average secret key rates of 793 kbps and 40 kbps respectively, under both daytime and nighttime conditions. The results confirm that the advantages of the C-band outweigh the increased beam divergence, and that the system is capable of interconnecting terrestrial fiber networks with free space, paving the way for future satellite quantum links and bringing the vision of a true global quantum internet closer to realization.
Le tecnologie che sfruttano le proprieta della meccanica quantistica possono essere considerate il prossimo passo piu significativo nell'evoluzione della scienza dell'informazione e delle telecomunicazioni, considerando che quello precedente e stato lo sviluppo dei micro-transistor e delle comunicazioni wireless (senza fili). Teoricamente, persino i computer quantistici di piccole dimensioni potrebbero superare, in quanto a prestazioni, i piu grandi e potenti supercomputer, cosi come le telecomunicazioni quantistiche potrebbero consentire, in modo assolutamente sicuro, nonche senza il minimo rischio di perdita, lo scambio ultra-veloce di informazioni, perfino sulle piu lunghe distanze. Naturalmente, l'importanza di tali tecnologie ha comportato negli ultimi due decenni un grande impiego, da parte di istituzioni sia pubbliche che private, di risorse nel campo della ricerca e dello sviluppo, dando adito ad importantissimi sviluppi tecnologici e scoperte scientifiche.
Tuttavia, ad oggi nessuna di queste tecnologie e stata dimostrata su una piattaforma completa, autonoma e puramente quantistica. Questo in parte poiche la natura quantistica del mondo non e stata ancora compresa appieno ed i suoi principi basilari insinuano il dubbio nella comunita scientifica; in parte poiche le tecnologie odierne non sono in grado di supportare complicati processi quantistici. Una soluzione per entrambe le suddette questioni e stata proposta per essere messa in atto da simulatori, in grado di simulare o performare semplici imput quantistici, utilizzando cosi una piattaforma che potrebbe potenzialmente far intuire meglio la natura della teoria quantistica, ed allo stesso tempo dimostrerebbe il potenziale delle applicazioni quantistiche.
In questa tesi, il femtosecond laser micromachining e stato utilizzato per realizzare circuiti fotonici integrati, che permettono di propagare, controllare e modificare singoli fotoni, in substrati di vetro. Questa tecnologia permette di sviluppare in maniera semplice complicati strumenti ottici, i simulatori quantici, designati all'emulazione di processi quantici attraverso l'uso di singoli fotoni. In particolare, questo esperimento, che e la dimostrazione di una vera e propria simulazione fotonica quantistica, ha permesso per la prima volta di raggiungere l'obiettivo di simulare l'evoluzione di multiple eccitazioni in una catena di spin (catena di rotazione). Un esperimento che testa la proprieta fondamentale del quanto nel contesto della fisica quantistica, dimostrando l'importanza della piattaforma nell'indagine dei fondamentali concetti della fisica. Inoltre, e stato condotto con successo un esperimento sullo sviluppo di un set completo di componenti integrate di processi di polarizzazione per la lunghezza d'onda delle telecomunicazioni. Ed infine sono stati raggiunti significanti miglioramenti nel processo della fabbricazione, permettendo la realizzazione di waveguide arrays (schieramenti d'onda) per i percorsi di quanti multiparticellari.
Questo lavoro esamina le applicazioni del quantum computing in data science, riformulando problemi di ottimizzazione e machine learning attraverso un formalismo ibrido quantistico-classico. Innanzitutto, vengono presentati i concetti fondamentali della meccanica quantistica, limitando lo studio all’area di interesse del quantum computing ma allo stesso tempo impostando il contesto matematico in modo rigoroso. Dopodiche, attraverso una panoramica dell’hardware presente ad oggi e di quello atteso per il futuro prossimo, e con l’esaminazione dei problemi legati al rumore e al ridotto numero di qubit disponibili nei dispositivi quantistici moderni, si motiva il bisogno di un approccio ibrido per risolvere problemi complessi, che permetta ad hardware classico e quantistico di lavorare sinergicamente. Lo scopo di questo lavoro e quello di presentare strategie per modellare problemi di ottimizzazione e supervised e reinforcement learning in modo da far lavorare una Quantum Processing Unit sulle parti degli algoritmi computazionalmente piu costose. Vengono discussi sia i benefici sia gli svantaggi: i primi sono strettamente legati alla scelta di un modello di computazione nuovo, dal quale ci si aspetta l’esecuzione di operazioni classicamente intrattabili e lo sfruttamento della velocita intrinseca dei sistemi quantistici di raggiungere il ground state; i secondi derivano principalmente dalle attuali limitazioni ingegneristiche che non permettono un controllo efficiente di sistemi quantistici a larga scala. Vengono esaminati quattro casi di studio: un problema di classificazione di immagini auto-costruite attraverso un algoritmo di Support Vector Machine, il quale sfrutta funzioni che portano i dati dallo spazio di input allo spazio degli stati quantistici, construendo cosi un kernel quantum-enhanced; un problema di reinforcement learning, formulato come Quadratic Unconstrained Binary Optimisation (QUBO), con lo scopo di trovare una strategia vincente per il gioco del Blackjack usando dati auto-simulati; il Number Partitioning Problem, formulato come QUBO, che rappresenta lo scenario piu complesso dal punto di vista della connettivita dei qubit e, per grandi istanze, e capace di raggiungere la complessita di problemi reali; infine, il problema del limited-assets Markowitz portfolio optimisation, riscritto come QUBO, al fine di implementare un’euristica quantum-inspired che possa sormontare la complessita del problema al crescere della dimensione dell’input. Nel corso di questo lavoro sono stati analizzati sia l’approccio di computazione universale gate-model, sia quello di adiabatic quantum computing, con particolare attenzione verso quest’ultimo attraverso la maggior parte dei casi di studio. Per uno di questi, il Number Partitioning Problem, e stato sfruttato l’accesso in cloud ad un quantum annealer, che ha permesso uno studio completo delle capacita di tale macchina, in grado di risolvere tra i problemi piu complessi che i quantum computer moderni possano affrontare. Infine, non solo questo lavoro valuta l’accuratezza e la qualita delle soluzioni dei problemi esaminati, ma si concentra anche sul paragone tra strategie quantistiche e classiche, evidenziando le differenze e i benefici che un approccio quantistico o ibrido quantistico-classico puo portare nella risoluzione di problemi di ottimizzazione e machine learning, specialmente con l’eventuale disponibilita, nel futuro prossimo, di dispositivi a piu larga scala.