An important issue in today's information society is the security of data transmission against potential intruders, which always put at risk the confidentiality. Current methods to increase security require that the two parties wishing to transmit information, exchange or share one or more security keys. Once the key has been identified, the information can be transferred in a provable secure way using a one-time pad, i. e. the key length is as long as the plaintext. Therefore, the security of the information transmission is based exclusively on the security of the key exchange. Quantum cryptography, or more precisely quantum key distribution (QKD), guarantees absolutely secure key distribution based on the principles of quantum physics, according to which it is not possible to measure or reproduce a state (e.g. polarization or phase of a photon) without being detected. The key is generated out from the measurement of the information encoded into specific quantum states of a photon, named qubits. For example, a qubit can be created using properties such as the polarization or the phase of a photon. Achieved goals of this thesis are the development of a new class of high speed integrated photonic sources for applications in quantum key distribution systems, capable of producing unprecedented qubit rates (100 Mbps - 1 Gbps) and transmitting those over larger distances than those achieved so far (>200 km). More specifically the work has been focused on developing faint pulse sources which can be used in very demanding environmental conditions, such as those in Space. For the development of these sources, apart from the optical design, essential is the opto-mechanical engineering as well as the integration with the electronics. One of the objectives was to achieve very high level of integration and power efficiency, e.g. volumes and power consumption between 10 and 100 times smaller than those typical of a laboratory experiment. Moreover, work in related parts of a whole QKD transmission system has been carried out. In particular, a new scheme for a compact, fast and simple random number generator has been demonstrated successfully achieving a random number generation rate of 1.1 Gbps. Also, during the course of this thesis, the development and engineering of a free-space QKD optical link has been initiated. This thesis makes use of novel ideas to alternatively demonstrate proof-of-concept experiments, which could then further develop into commercial products. To this end, close collaborations with world-wide leading companies in the field have been established. The Optoelectronics Group at ICFO has been involved in current European Space Agency (ESA) projects to develop a small footprint and low power consumption quantum transceiver and a high-flux entangled photon source. En l’actual societat del coneixement és important la seguretat en la transmissió de dades contra potencial intrusos, els quals sempre posen en risc la confidencialitat. Mètodes actuals per incrementar la seguretat requereixen que les dos parts que volen transmetre informació, intercanviïn o comparteixin una o més claus. Una vegada la clau ha estat identificada, la informació pot ser transferida de forma provadament segura utilitzant ”‘one-time pad”’. Per tant, la seguretat en la transmissió de la informació es basa exclusivament en la seguretat en l’intercanvi de la clau. La criptografia quàntica, o més precisament distribució de clau quàntica (QKD), garanteix absolutament la seguretat de la distribució de la clau basant-se en els principis de la física quàntica, segons la qual no és possible mesurar o reproduir un estat (p. e. la polarització o fase d’un fotó) sense ser detectat. La clau es genera a partir de les mesures de la informació codificada en estat quàntics del fotó, anomenats qubits. Per exemple, un qubit pot ser creat utilitzant propietats com la polarització o fase d’un fotó. Els objectius aconseguits d’aquesta tesis són el desenvolupament d’una nova classe d’emissors fotònics d’alta velocitat per a aplicacions en sistemes de distribució de clau quàntica, capaç¸os de produir velocitats de qubit sense precedents (100 Mbps - 1 Gbps) i transmetre’ls a través de distàncies més llunyanes que les aconseguides fins ara (> 200 Km). Més en concret el treball s’ha centrat en el desenvolupament de fonts de pulsos atenuats que poden ser usades en condicions ambientals molt extremes, com les presents a l’Espai. Per al desenvolupament d’aquestes fonts, apart del disseny òptic, importantíssim es l’enginyeria optomecànica com també la integració amb la electrònica. Un dels objectius ha estat aconseguir un molt alt nivell de integració i eficiència de potència, p. e. volums i consums de potència entre 10 i 100 vegades més petits que els típics en experiments de laboratori. Ademés, s’ha realitzat treball en altres parts relacionades amb un sistema de transmissió QKD. En particular, un nou esquema per a un generador de números aleatori compacte, ràpid i simple ha estat positivament demostrat aconseguint velocitats de generació de números aleatoris de 1:1 Gbps. També, el desenvolupament i enginyeria d’un enllaç òptic per a QKD en espai lliure ha estat iniciat durant aquesta tesis. Aquesta tesis utilitza idees novedoses per a demostrar experiments de prova de concepte, els quals poden esdevenir en productes comercials. Per a aquest fi, s’han establert col•laboracions amb empreses internacionals líders del sector. A més a més, el Grup d’Optoelectrònica de ICFO ha estat involucrat en projectes de la Agència Espacial Europea (ESA) per a desenvolupar un transceptor quàntic de tamany reduït i baix consum de potència, el qual també conté una font de fotons entrellaçts d’alt flux.
An important issue in today's information society is the security of data transmission against potential intruders, which always put at risk the confidentiality. Current methods to increase security require that the two parties wishing to transmit information, exchange or share one or more security keys. Once the key has been identified, the information can be transferred in a provable secure way using a one-time pad, i. e. the key length is as long as the plaintext. Therefore, the security of the information transmission is based exclusively on the security of the key exchange. Quantum cryptography, or more precisely quantum key distribution (QKD), guarantees absolutely secure key distribution based on the principles of quantum physics, according to which it is not possible to measure or reproduce a state (e.g. polarization or phase of a photon) without being detected. The key is generated out from the measurement of the information encoded into specific quantum states of a photon, named qubits. For example, a qubit can be created using properties such as the polarization or the phase of a photon. Achieved goals of this thesis are the development of a new class of high speed integrated photonic sources for applications in quantum key distribution systems, capable of producing unprecedented qubit rates (100 Mbps - 1 Gbps) and transmitting those over larger distances than those achieved so far (>200 km). More specifically the work has been focused on developing faint pulse sources which can be used in very demanding environmental conditions, such as those in Space. For the development of these sources, apart from the optical design, essential is the opto-mechanical engineering as well as the integration with the electronics. One of the objectives was to achieve very high level of integration and power efficiency, e.g. volumes and power consumption between 10 and 100 times smaller than those typical of a laboratory experiment. Moreover, work in related parts of a whole QKD transmission system has been carried out. In particular, a new scheme for a compact, fast and simple random number generator has been demonstrated successfully achieving a random number generation rate of 1.1 Gbps. Also, during the course of this thesis, the development and engineering of a free-space QKD optical link has been initiated. This thesis makes use of novel ideas to alternatively demonstrate proof-of-concept experiments, which could then further develop into commercial products. To this end, close collaborations with world-wide leading companies in the field have been established. The Optoelectronics Group at ICFO has been involved in current European Space Agency (ESA) projects to develop a small footprint and low power consumption quantum transceiver and a high-flux entangled photon source. En l’actual societat del coneixement és important la seguretat en la transmissió de dades contra potencial intrusos, els quals sempre posen en risc la confidencialitat. Mètodes actuals per incrementar la seguretat requereixen que les dos parts que volen transmetre informació, intercanviïn o comparteixin una o més claus. Una vegada la clau ha estat identificada, la informació pot ser transferida de forma provadament segura utilitzant ”‘one-time pad”’. Per tant, la seguretat en la transmissió de la informació es basa exclusivament en la seguretat en l’intercanvi de la clau. La criptografia quàntica, o més precisament distribució de clau quàntica (QKD), garanteix absolutament la seguretat de la distribució de la clau basant-se en els principis de la física quàntica, segons la qual no és possible mesurar o reproduir un estat (p. e. la polarització o fase d’un fotó) sense ser detectat. La clau es genera a partir de les mesures de la informació codificada en estat quàntics del fotó, anomenats qubits. Per exemple, un qubit pot ser creat utilitzant propietats com la polarització o fase d’un fotó. Els objectius aconseguits d’aquesta tesis són el desenvolupament d’una nova classe d’emissors fotònics d’alta velocitat per a aplicacions en sistemes de distribució de clau quàntica, capaç¸os de produir velocitats de qubit sense precedents (100 Mbps - 1 Gbps) i transmetre’ls a través de distàncies més llunyanes que les aconseguides fins ara (> 200 Km). Més en concret el treball s’ha centrat en el desenvolupament de fonts de pulsos atenuats que poden ser usades en condicions ambientals molt extremes, com les presents a l’Espai. Per al desenvolupament d’aquestes fonts, apart del disseny òptic, importantíssim es l’enginyeria optomecànica com també la integració amb la electrònica. Un dels objectius ha estat aconseguir un molt alt nivell de integració i eficiència de potència, p. e. volums i consums de potència entre 10 i 100 vegades més petits que els típics en experiments de laboratori. Ademés, s’ha realitzat treball en altres parts relacionades amb un sistema de transmissió QKD. En particular, un nou esquema per a un generador de números aleatori compacte, ràpid i simple ha estat positivament demostrat aconseguint velocitats de generació de números aleatoris de 1:1 Gbps. També, el desenvolupament i enginyeria d’un enllaç òptic per a QKD en espai lliure ha estat iniciat durant aquesta tesis. Aquesta tesis utilitza idees novedoses per a demostrar experiments de prova de concepte, els quals poden esdevenir en productes comercials. Per a aquest fi, s’han establert col•laboracions amb empreses internacionals líders del sector. A més a més, el Grup d’Optoelectrònica de ICFO ha estat involucrat en projectes de la Agència Espacial Europea (ESA) per a desenvolupar un transceptor quàntic de tamany reduït i baix consum de potència, el qual també conté una font de fotons entrellaçts d’alt flux.
An important issue in today’s information society is the security of data transmission against potential intruders, which always put at risk the confidentiality. Current methods to increase security require that the two parties wishing to transmit information, exchange or share one or more security keys. Once the key has been identified, the information can be transferred in a provable secure way using a one-time pad, i. e. the key length is as long as the plaintext. Therefore, the security of the information transmission is based exclusively on the security of the key exchange. Quantum cryptography, or more precisely quantum key distribution (QKD), guarantees absolutely secure key distribution based on the principles of quantum physics, according to which it is not possible to measure or reproduce a state (e.g. polarization or phase of a photon) without being detected. The key is generated out from the measurement of the information encoded into specific quantum states of a photon, named qubits. For example, a qubit can be created using properties such as the polarization or the phase of a photon. Achieved goals of this thesis are the development of a new class of high speed integrated photonic sources for applications in quantum key distribution systems, capable of producing unprecedented qubit rates (100 Mbps - 1 Gbps) and transmitting those over larger distances than those achieved so far (> 200 km). More specifically the work has been focused on developing faint pulse sources which can be used in very demanding environmental conditions, such as those in Space. For the development of these sources, apart from the optical design, essential is the opto-mechanical engineering as well as the integration with the electronics. One of the objectives was to achieve very high level of integration and power efficiency, e.g. volumes and power consumption between 10 and 100 times smaller than those typical of a laboratory experiment. Moreover, work in related parts of a whole QKD transmission system has been carried out. In particular, a new scheme for a compact, fast and simple random number generator has been demonstrated successfully achieving a random number generation rate of 1:1 Gbps. Also, during the course of this thesis, the development and engineering of a free-space QKD optical link has been initiated. This thesis makes use of novel ideas to alternatively demonstrate proof-of- concept experiments, which could then further develop into commercial products. To this end, close collaborations with world-wide leading companies in the field have been established. The Optoelectronics Group at ICFO has been involved in current European Space Agency (ESA) projects to develop a small footprint and low power consumption quantum transceiver and a high-flux entangled photon source.
Quantum information and quantum optics offer powerful innovative tools for secure communication and cryptography, with Quantum Key Distribution (QKD) becoming a standard technology in the cryptographic world. By exploiting fundamental principles such as quantum superposition, entanglement, and the no-cloning theorem, QKD enables two users to establish a shared secret key with information-theoretic security. Quantum communication is a fundamental element for the realization of the quantum internet, a network of distant nodes connected by quantum channel. The realization of such networks requires methods to distribute states and correlations with high fidelity and low losses. This thesis explores the use of innovative photonic technologies for the realization of experiment aiming at improving quantum communication and quantum channels. Single photons based on QD are generated on-demand and show high purity, near-optimal indistinguishability and low multi-photons emission. By exploiting the features of these photons, a method to realize entangled states is implemented. Using the polarization degree of freedom, these entangled states are ideal candidates for free-space QKD protocols based on the Bell’s inequality. To address the problem of the reference frame alignment using the polarization, hybrid states are studied and implemented. The specific combination of polarization and orbital angular momentum (OAM) can produce photons that are not modified by rotation of the reference frame. We implemented an experiment to realize a QKD that is independent on the relative rotation of the two user. The final goal of my thesis was devoted to the in-field demonstration of quantum teleportation as a fundamental building block of distributed quantum networks, enabling the reliable transmission of quantum information between remote nodes. Exploiting the free-space infrastructure in the "Sapienza" University of Rome, a link of around ∼ 300 m, we implemented the quantum teleportation between two different QDs showing the possibility of using this technology into real-case scenario. The results obtained show not only that QDs are ideal sources for quantum communication, but also the possibility of using new states to improve current technologies, advancing the development of efficient and reliable quantum networks.
L’estudi de la fisica de la informacio i de la computacio ha estat una de les disciplines d’investigacio mes reconegudes al llarg de les ultimes decades. La informacio es, a la fi, alguna cosa que es troba dins d’un sistema fisic, i podem pensar que la computacio es allo que es capac de convertir aquesta part dels sistemes fisics en dispositius realitzables i controlables. Aixi doncs, sembla que tant des del punt de vista de la ciencia basica com de l’aplicacio tecnologica, els conceptes d’informacio i computacio tenen un paper principal. Aquest treball tracta sobre un aspecte concret d’un sistema fisic, la llum, el qual es pot utilitzar per a aplicacions molt diverses en informacio quantica. De tots els sistemes fisics proposats per a realitzacions practiques d’informacio quantica, els fotons son, sens dubte, els mes utilitzats. Els treballs duts a terme fins al moment tracten basicament de les propietats de polaritzacio de la llum, la posicio dels fotons i el moment d’aquests. L’estudi del control dels estats en frequencia dels fotons es un nou pas en la complexitat quantica, ja que la frequencia es una variable continua. Quan pensem en la descripcio i l’estudi d’algun aspecte dels sistemes quantics com pot ser la polaritzacio o la frequencia, la distincio en variables continues i discretes es ben clara en el sentit matematic; pero d’altra banda, des del punt de vista experimental, les variables continues son un limit de les variables discretes que mai es pot tractar a la practica. La correlacio no classica entre parelles de fotons es un dels topics centrals en l’optica quantica, i l’entrellacament es la seva propietat mes notable per tal d’experimentar-hi. L’entrellacament es una propietat dels estats quantics i, en el nostre cas, direm que una parella de fotons esta entrellacada quan no puguem descriure l’estat d’un dels dos fotons sense, alhora, variar l’estat de l’altre, es a dir que l’entrellacament ens dona idea del grau en que estan lligats els dos fotons. Quan volem tractar l’entrellacament d’un estat quantic de dos sistemes A i B, si aquests tenen un espectre discret, aleshores la seva correlacio sera senzilla de quantificar ja que tindrem un nombre finit —o, en el pitjor dels casos, numerable— d’estats correlats. Per contra, quan
Quantum key distribution (QKD) offers the highest possible levels of communication secrecy. Using the laws of quantum mechanics, QKD protocols allow two distant parties to establish symmetric encryption keys that can be proven information theoretically secure. In order to make this technology accessible to a wide range of sectors, it is essential to address the questions of cost, volume production and compatibility with standard Telecom/Datacom infrastructures. While over the last few years, a number of works were devoted to the demonstration of photonic integrated circuits for quantum communications, a practical solution to interface these chips in a complete system remained an elusive goal. We review our efforts in integrating the core optical functions of quantum key distribution onto quantum photonic chips and in demonstrating the first standalone photonic integrated QKD system. Our approach tackles various system integration challenges related to packaging, optoelectronic design and power consumption. The quantum hardware is assembled in pluggable interconnects that guarantee efficient thermal management and forward compatibility of a same host electronics with successive generations of chips. Autonomous operation and long-term stability are demonstrated in realistic operation conditions. Our work offers new pathways for practical implementations of QKD and its viable deployment at large scales.
La darrera dècada ha estat testimoni d'una revolució tecnològica sense precedents, però els seus fruits encara trigaran a arribar al gran públic.Em refereixo al desenvolupament dels primers prototips d'ordinadors quàntics, la majoria dels quals han estat construïts per empreses privades nordamericanes, amb algunes poques excepcions a la Xina i Europa.Aquest nou tipus d'ordinador fa els càlculs utilitzant les lleis de la mecànica quàntica, és a dir, la teoria física que descriu el comportament de les partícules microscòpiques, com àtoms i molècules, que formen tota la matèria.Per aquest motiu es pensa que els ordinadors quàntics seran molt més potents que els clàssics i podran realitzar en una fracció de segon tasques que per a un ordinador normal requeririen milions d'anys.No obstant això, els ordinadors quàntics disponibles actualment són molt fràgils i de mida petita, per la qual cosa encara no han assolit tot el seu potencial.A Europa, hi ha poques empreses que hagin construït o que es trobin en condicions de construir ordinadors quàntics, i encara menys les universitats o institucions públiques que estan immerses en aquesta cursa.A Catalunya, s'ha anunciat recentment que el Centre de Supercomputació de Barcelona (BSC, segons les sigles en anglès) disposarà del primer ordinador quàntic del sud d'Europa.Això podria situar el nostre país a l'avantguarda de la recerca en aquest àmbit.En els darrers anys, la computació quàntica ha suscitat un gran interès tant per part del sector públic (universitats i institucions estatals de recerca) com del sector privat, i ha generat tot un ecosistema en què gegants tecnològics com Google o Amazon conviuen amb empreses de petit format o fins i tot start-ups que desenvolupen algoritmes i maquinari.Darrere d'aquest boom de la computació quàntica hi ha les grans expectatives que la societat ha posat en aquesta nova tecnologia.Per exemple, hi ha algoritmes que, si s'implementessin en un ordinador quàntic, permetrien descompondre nombres en nombres primers (vegeu la nota 1) en molt menys temps del que necessita un ordinador normal, inclosos els superordinadors més potents.Això pot semblar abstracte, però els sistemes de criptografia que utilitzen els bancs per protegir les transaccions entre comptes corrents es basen en la generació de nombres aleatoris molt grans per després descompondre'ls en factors primers.Un ordinador quàntic podria desxifrar ràpidament aquestes claus i finestra a l'actualitat
For any communication, the conveyed information must be carried by some physical system. If this system is a quantum system rather than a classical one, its behavior will be governed by the laws of quantum mechanics. Hence, the properties of quantum mechanics, such as superpositions and entanglement, are accessible, opening up new possibilities for transferring information. The exploration of these possibilities constitutes the field of quantum communication. The key ingredient in quantum communication is the qubit, a bit that can be in any superposition of 0 and 1, and that is carried by a quantum state. One possible physical realization of these quantum states is to use single photons. Hence, to explore the possibilities of optical quantum communication, photonic quantum states must be generated, transmitted, characterized, and detected with high precision. This thesis begins with the first of these steps: the implementation of single-photon sources generating photonic qubits. The sources are based on photon-pair generation in nonlinear crystals, and designed to be compatible with fiber optical communication systems. To ensure such a compatibility and to create a high-quality source, a theoretical analysis is made, optimizing the coupling of the photons into optical fibers. Based on the theoretical analysis, a heralded single-photon source and a two-crystal source of entangled photons-pairs are experimentally implemented. The source of entangled photons is further developed into a compact source with a narrow bandwidth compatible with standard telecommunication wavelength-division multiplexers, and even further developed to a more stable one-crystal source. The sources are to be used for quantum communication in general and quantum cryptography in particular. Specifically, a heralded single-photon source is implemented and then used for a full test of a decoy-state quantum cryptography protocol.