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.
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.
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
Free-space quantum key distribution (QKD) represents a groundbreaking advancement in secure communication, enabling secure key exchange over vast distances and offering robust encryption for the future quantum internet. However, the compatibility between fiber and free-space infrastructures continues to pose challenges for QKD protocols. Indeed, free-space and fiber-based networks commonly use different wavelengths and qubits encoding schemes. On the one hand, free-space QKD typically exploits visible light for its beneficial beam divergence compared to longer wavelengths, and polarization encoding for its robustness against turbulence. On the other hand, fiber-based QKD employs infrared light, particularly the C-band, because it shows the minimum losses with silica fibers, and time-bin encoding, due to polarization instability in optical fibers. In our study, we demonstrate the viability of a time-bin encoded QKD protocol operating in the C-band through horizontal turbulent free-space channels. We test the setup into a 50 m and a 500 m long links, achieving an average secure key rate of, respectively, 793 kbps and 40 kbps over several hours of measurements. The results encourage further exploration of the interoperability between free-space and fiber-based infrastructures, opening new possibilities for connecting terminal users with satellites in hybrid infrastructures.
Free-space quantum key distribution (QKD) represents a groundbreaking advancement in secure communication, enabling secure key exchange over vast distances and offering robust encryption for the future quantum internet. However, the compatibility between fiber and free-space infrastructures continues to pose challenges for QKD protocols. Indeed, free-space and fiber-based networks commonly use different wavelengths and qubits encoding schemes. On the one hand, free-space QKD typically exploits visible light for its beneficial beam divergence compared with longer wavelengths, and polarization encoding for its robustness against turbulence. On the other hand, fiber-based QKD employs infrared light, particularly the C-band, because it shows the minimum losses with silica fibers, and time-bin encoding, due to polarization instability in optical fibers. In our study, we demonstrate the viability of a time-bin encoded QKD protocol operating in the C-band through horizontal turbulent free-space channels. We test the setup into a 50-m- and a 500-m-long link, respectively achieving an average secure key rate of 793 kbps and 40 kbps over several hours of measurements. The results encourage further exploration of the interoperability between free-space and fiber-based infrastructures, opening new possibilities for connecting terminal users with satellites in hybrid infrastructures.
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.
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.
L’astronomia delle onde gravitazionali ha aperto una nuova finestra osservativa sull’universo, con un impatto scientifico inestimabile in un’ampia gamma di campi, tra cui l’astrofisica, la cosmologia, la fisica nucleare e la fisica fondamentale. La Collaborazione LIGO-Virgo- KAGRA gestisce quattro rivelatori terrestri di onde gravitazionali in tutto il mondo, che insieme hanno osservato centinaia di coalescenze di sistemi binari compatti, i quali coinvolgono principalmente buchi neri, ma anche stelle di neutroni. Tra questi eventi rientra GW170817, l’osservazione storica che ha segnato la nascita dell’astronomia multimessaggera. La rivelazione sperimentale delle onde gravitazionali avviene con interferometri di Michelson di lunghezza chilometrica, in cui la luce di un laser è utilizzata per monitorare la posizione relativa degli specchi, che costituiscono delle masse di prova in caduta libera. Questi strumenti sono in grado di misurare spostamenti degli specchi dell’ordine di 10^(−18) m o inferiori, nella banda di frequenze 10 Hz − 10 kHz. Tale straordinaria sensibilità fa sì che i rivelatori siano limitati dalle fluttuazioni quantistiche dei fotoni che viaggiano nell’interferometro, un fenomeno noto come rumore quantistico. Le incertezze quantistiche in ampiezza e fase di questi fotoni possono essere correlate tra loro, in modo da ridurre il rumore quantistico in una porzione della banda di rivelazione. Gli stati non classici della luce che implementano queste correlazioni sono definiti stati squeezed ("compressi", in inglese), e possono essere iniettati in una cavità lineare "di filtro", detta filter cavity, non risonante alla frequenza degli stati squeezed. Questo processo estende il miglioramento della sensibilità all’intera banda di rivelazione. Questa tesi esplora strategie sperimentali per la riduzione a banda larga del rumore quantistico nei rivelatori di onde gravitazionali attuali e futuri mediante l’uso di stati di luce squeezed. La prima parte del lavoro riguarda la caratterizzazione dell’efficienza del sistema di squeezing del rivelatore Advanced Virgo+, ossia l’attuale versione dell’esperimento Virgo, durante il run osservativo O4. L’analisi dell’impatto dello squeezing sulla varianza del rumore quantistico misurato ha rivelato un’efficienza di circa 40% ad alte frequenze (f ≳ 300 Hz), che cresce fino al 65% su tutta la banda, dopo aver sottratto le sorgenti classiche (ossia non quantistiche) di degradazione dello squeezing. Questo risultato è fondamentale per aumentare l’orizzonte osservativo di Virgo grazie al suo sistema di squeezing, e farà da base per i futuri miglioramenti dell’apparato sperimentale di riduzione del rumore quantistico. Guardando al futuro, i rivelatori di prossima generazione, come l’Einstein Telescope, saranno dotati di filter cavity di scala chilometrica. Una promettente strategia di squeezing, alternativa all’uso di cavità esterne, è basata sull’entanglement quantistico di tipo Einstein- Podolsky-Rosen (EPR). Un prototipo su banco ottico, volto a esplorare questo schema nella banda di frequenze utile ai rivelatori di onde gravitazionali, è in fase di sviluppo. Il duty cycle delle parti dell’apparato trattate in questa tesi ammonta al 95%. In parallelo, è stato sviluppato un codice di simulazione analitica per valutare l’effetto EPR sulla sensibilità dei futuri rivelatori e confrontarla con quella degli esperimenti attuali. L’obiettivo scientifico di questo duplice approccio è supportare le scelte sul design dei futuri sistemi di squeezing, inserendosi in una serie di esperimenti R&D in corso con lo scopo di massimizzare l’enorme potenziale dell’astronomia delle onde gravitazionali.