Receiver Design for Quantum Communication

Formalizzata più di un secolo fa, la Meccanica Quantistica ha rivoluzionato la descrizione e l'interpretazione della Fisica a livello microscopico. Negli ultimi decenni, grazie all'influenza di studi affini nei campi della matematica e dell'ingegneria, la Meccanica Quantistica ha portato allo sviluppo di aree di ricerca quali la Computazione Quantistica, la teoria dell'Informazione Quantistica e le Comunicazioni Quantistiche. Con l'invenzione del laser, e i successivi sviluppi delle fibre ottiche e delle reti satellitari, la comunicazione quantistica e l'ottica quantistica hanno un naturale campo di applicazione nello studo nei sistemi di comunicazione. Nonostante ciò, l'interesse in questa tecnologia e gli studi quantistici sulle telecomunicazioni sono stati messi in ombra dai risultati nelle reti di comunicazione ottenuti negli ultimi decenni con paradigmi classici. Solo recentemente, a causa dell'aumento della richiesta di rate trasmissivo, i progettisti di sistemi di comunicazione guardano alla meccanica quantistica in cerca di soluzioni nuove e più efficienti. I primi studi teorici nella teoria quantistica della discriminazione e dell'informazione prevedono un notevole vantaggio nelle prestazioni se i sistemi di comunicazione sono progettati secondo le leggi della meccanica quantistica. Inoltre, la meccanica quantistica fornisce la più profonda descrizione dei fenomeni quantistici, e in alcuni scenario tale descrizione è più appropriata, come nel caso di comunicazioni dallo spazio profondo, dove il segnale ricevuto è estremamente debole, o nelle reti satellitari, dove siamo interessati a ridurre la potenza trasmessa con il segnale, senza sacrificare significativamente le prestazioni. Se da un lato le comunicazioni quantistiche promettono grandi guadagni in termini di performance, dall'altro lato non spiegano esplicitamente come costruire dispositivi che raggiungono questi limiti. Finora, solo pochi schemi di comunicazione che raggiungono questo limite sono conosciuti, e solo per formati di modulazione semplici. Lo scenario di nostro interesse è quello delle trasmissioni ottiche, dove un messaggio trasmesso viene codificato in una sequenza di stati coerenti. Dispositivi di trasmissione per la modulazione coerente sono noti (generatori laser), mentre ricevitori che lavorano nel regime quantistico sono ancora da sviluppare. In questo lavoro di Tesi sviluppo diversi temi nello scenario delle comunicazioni quantistiche. Inizialmente, riassumo gli schemi di ricezione classici (subottimi) e quantistici (ottimi e subottimi) per la modulazione binaria coerente. Successivamente presento una riformulazione dello schema ottimo noto come il ricevitore di Dolinar come un problema di copie multiple, focalizzandomi sull'informazione guadagnata durante l'operazione di misura. Successivamente, analizzo la comunicazione binaria in un ambiente rumoroso, studiando la probabilità di errore e la capacità del canale binario che si possono ottenere. Data una descrizione quantistica del canale, ottimizzo rispetto sia gli stati trasmessi che gli operatori di misura impiegati nella comunicazione. In seguito considero una modulazione più complessa, la Pulse Position Modulation, particolarmente adatta per le comunicazioni dallo spazio e satellitari, grazie alla semplicità di implementazione e all'alta capacità. In primo luogo rivedo alcuni ricevitori subottimi, e successivamente propongo uno schema di ricezione che approccia le prestazioni limite predette con la teoria quantistica, superando gli schemi esistenti in letteratura. Riassumendo i risultati della Tesi, per approcciare le prestazioni ottime predette dalla meccanica quantistica un procedimento di ottimizzazione è sempre necessario per superare gli effetti classici e innescare i fenomeni quantistici. In particolare, l'informazione guadagnata durante il procedimento di misura gioca un ruolo fondamentale, ad esempio nella definizione di ricevitori adattativi. In questo lavoro di Tesi entrambi questi aspetti sono stati investigati a fondo.