Le memorie quantistiche sono interfacce luce-materia in grado di ricevere, mem-
orizzare e riprodurre uno stato quantistico con una “fidelity” piu alta di qualsiasi altro dispositivo classico.
In questa tesi si studia l’applicazione delle memorie quantistiche a vapori di rubidio a temperatura ambiente per la memorizzazione di qubit in polarizzazione ed in particolare la possibilita di interferire gli impulsi memorizzati sia a livello classico che quantistico.
L’interferenza a due fotoni e infatti alla base dei protocolli di distribuzione di chiave quantistica Measurement-Device-Independent (MDI-QKD) recentemente sviluppati.
Le memorie quantistiche sono interfacce luce-materia in grado di ricevere, mem-
orizzare e riprodurre uno stato quantistico con una “fidelity” piu alta di qualsiasi altro dispositivo classico.
In questa tesi si studia l’applicazione delle memorie quantistiche a vapori di rubidio a temperatura ambiente per la memorizzazione di qubit in polarizzazione ed in particolare la possibilita di interferire gli impulsi memorizzati sia a livello classico che quantistico.
L’interferenza a due fotoni e infatti alla base dei protocolli di distribuzione di chiave quantistica Measurement-Device-Independent (MDI-QKD) recentemente sviluppati.
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 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
In questo lavoro di tesi vengono utilizzate diverse tecniche di micro-fabbricazione per la realizzazione di dispositivi ottici integrati con applicazioni nell'ambito dell'informazione quantistica, in particolare per la generazione e la manipolazione di stati quantistici basati su fotoni. Sfruttando la tecnica di fabbricazione tramite laser a femtosecondi, sorgenti di singoli fotoni e fotoni entangled sono state integrate su chip. In aggiunta, la stessa tecnica ha permesso la realizzazione di dispositivi insensibili alla polarizzazione per la manipolazione di stati quantistici codificati nella polarizzazione dei singoli fotoni. L'ottimizzazione delle prestazioni e del controllo degli sfasatori termici, che rappresentano componenti essenziali per ampliare le funzionalita dei circuiti ottici integrati, ha permesso di estendere ulteriormente le capacita di tale tecnica di fabbricazione. Infine, una nuova piattaforma basata su guide in ossinitruro di silicio e stata sviluppata all'interno di PoliFab, il centro per le micro- e nano-fabbricazioni del Politecnico di Milano.
Questo progetto intende fornire una soluzione di natura elettronica al problema dell'individuazione di due eventi che si manifestano in istanti temporali molto ravvicinati tra loro. Piu precisamente, parliamo di segnali elettrici con determinate caratteristiche di intensita e durata, provenienti, dopo la necessaria conversione, da un sistema di tipo quantistico.
Il lavoro svolto e la continuazione e l'ampliamento di quanto precedentemente realizzato dai colleghi Marco Pezzini e Andrea Merlin nell'ambito della loro tesi di laurea;
l'ambiente in cui e stato sviluppato e il Laboratorio Luxor dell'Universita di Padova, all'interno del quale e stato possibile accedere a tutta la strumentazione necessaria per i test sperimentali.
In questo elaborato si vuole dare una visione il piu possibile ad ampio raggio dell'argomento di interesse. Introdurremo i concetti di meccanica quantistica, fondamentali per comprendere il contesto in si opera, e quindi passeremo a descrivere
il fenomeno sico, l'entanglement, di cui ci proponiamo di realizzare uno strumento di misura. Dalla dimensione ottica, nota la procedura di conversione dei fotoni in segnali elettrici, sposteremo la nostra attenzione alle metodologie che permettono la rivelazione di intervalli temporali molto brevi e, dopo aver motivato la scelta dell'hardware adatto alle nostre esigenze e averne elencato le funzionalita, partiremo con la descrizione del progetto vero e proprio. Seguira un capitolo dedicato ai test sperimentali eseguiti per valutare qualita e punti deboli del dispositivo realizzato e, in ne, verranno tratte le dovute conclusioni prospettando nuovi scenari che permettano
di risolvere eventuali problemi rimasti irrisolti e migliorare le prestazioni complessive del sistema sviluppato
La meccanica quantistica è una delle più grandi conquiste intellettuali del xx secolo. Le sue leggiregolano il mondo atomico e subatomico e si riverberano su una miriade di fenomeni del mondomacroscopico, dalla formazione dei cristalli alla superconduttività, dalle proprietà dei fluidi a bassatemperatura agli spettri di emissione di una candela che brucia o di una supernova che esplode, daimeccanismi di combustione della fornace solare ai principi di base delle nanotecnologie. Non c’èquasi nulla nel mondo che ci circonda su cui non soffi l’alito delle leggi quantistiche. Tuttavia, per come è usualmente presentata nei libri di testo, la meccanica quantistica è sostanzialmenteun’insieme di regole per calcolare le distribuzioni di probabilità dei risultati di qualunqueesperimento (nel dominio di validità della meccanica quantistica). In quanto tale, non ci forniscedirettamente una descrizione della realtà. Una descrizione della realtà, cioè un’ ontologia, dovrebbedirci che cosa c’è nel mondo e come si comporta, quali sono i processi che si realizzano a livellomicroscopico e, di conseguenza, fornirci una spiegazione del formalismo quantistico.
SOMMARIO. Esistono fenomeni fisici come la decoerenza, il rumore, la misura effettuata nel mezzo del processo computazionale, che difficilmente possono essere interpretati attraverso il paradigma quantistico standard. In un processo computazionale, una qualsiasi interazione del sistema con l’ambiente causa un’inevitabile perdita di informazione che rende il processo stesso irreversibile. Per tener conto di situazioni di questo tipo, la computazione quantistica ha recentemente adottato un nuovo approccio che si spinge oltre a quello standard. Lo scopo di questo articolo `e quello di riassumere in maniera descrittiva (evitando di entrare in dettagli tecnici) i caratteri principali di questo nuovo approccio e analizzarne qualche possibile applicazione.