Advanced techniques for quantum communications in free-space channels

Questa tesi è incentrata sullo sviluppo di tecniche avanzate per le comunicazioni quantistiche in canali nello spazio libero. Al stato attuale esistono diverse dimostrazioni di protocolli di comunicazione quantistica a lunga distanza, molte di queste sfruttano le fibre ottiche come canale di trasmissione. Le fibre ottiche sono molto vantaggiose in quanto sono scarsamente influenzate da condizioni esterne e permettono di collegare località remote che non sono in linea visiva diretta. Per contro, presentano forte limitazioni nella distanza di trasmissione in quanto hanno problemi di dispersione e di attenuazione. Per permettere una diffusione globale delle comunicazioni quantistiche è necessario esplorare nuovi canali di trasmissione. Lo spazio libero è un buon candidato, sia per quanto riguarda i canali verticali tra la terra e lo spazio, sia per quanto riguarda i collegamenti orizzontali. Lo studio di questi è quindi di fondamentale importanza per l'estensione delle comunicazioni quantistiche su larga scala. Dagli anni ottanta a oggi sono stati definiti molti protocolli di comunicazione quantistica come Bennet-Brassard 84 (BB84) , Bennet 92 (B92), Ekert 91, Decoy State, Dense Coding, ecc. Questi protocolli si distinguono tra loro per affidabilità, sicurezza e capacità di trasmissione. Questi tre parametri sono molto importanti nella caratterizzazione di un protocollo di comunicazione e hanno la particolarità di essere direttamente legati uno all'altro. Lo sviluppo di nuovi protocolli che massimizzino questi parametri è molto importante per l'avanzamento e lo sviluppo futuro delle comunicazioni quantistiche. Questa tesi è divisa in tre parti. Nella prima parte sono state considerate le caratteristiche e il comportamento di un canale quantistico orizzontale nello spazio libero. In primo luogo è stato studiato l'impatto della turbolenza atmosferica nel caso di propagazione di singoli fasci ottici e di fasci ottici paralleli. Successivamente sono state misurate le perdite del canale ed è stato analizzato l'effetto della turbolenza sulla statistica dei fotoni. Infine è stato proposto un metodo che sfrutta la turbolenza per migliorare il rapporto segnale-rumore del canale. Nella seconda parte sono state prese in considerazione la sicurezza e l'efficienza dei protocolli di Quantum Key Distribution (QKD). E' stata proposta la dimostrazione sperimentale del protocollo B92 con stati non-massimamente entangled. L'utilizzo di questa tipologia di stati ha permesso di migliorare la sicurezza e l'efficienza di questo protocollo. Infine, nell'ultima parte si è proposto un possibile metodo per migliorare la capacità di canale sfruttando coppie di fotoni hyperentangled. A riguardo, è stato progettato e collaudato un sistema per la trasmissione di stati hyperentangled a lunga distanza.