High Performances Systems for Applications of Quantum Information

Il presente lavoro di tesi tratta la realizzazione di sistemi hardware e software per Quantum Random Number Generation (QRNG) e Quantum Key Distribution (QKD). Tali sistemi sono stati sviluppati al fine di garantire una completa funzionalità per l’investigazione a tutto campo di queste due applicazioni che ad oggi risultano essere le più promettenti nell’ambito della Quantum Information. Vengono presentati in dettaglio sia l’hardware sia i software utilizzati che sono stati sviluppati per schede FPGA-CPU, dispositivi di Time-to-Digital converter (TDC) e computer. Vengono inoltre descritte le applicazioni specifiche di QRNG e QKD assieme ai risultati ottenuti. Randy è stato il primo dispositivo QRNG sviluppato su scheda FPGA e utilizza una sorgente luminosa attenuata a singolo fotone e un single-photon avalanche diode (SPAD). A partire dal campionamento del segnale elettrico dello SPAD, il dispositivo produce numeri randomici tramite protocolli di generazione appositi e tramite l’applicazione dell’algoritmo di unbiasing di Peres per massimizzare il bit rate. Il dispositivo permette inoltre di generare numeri randomici in tempo reale. Questa caratteristica viene utilizzata per la gestione temporizzata di componenti elettro-ottici per l’estensione allo spazio dell’esperimento a scelta ritardata di Wheeler’s. Le stesse tecniche sono state in seguito applicate ad un secondo dispositivo, LinoSPAD, che integra un chip FPGA e un array di CMOS-SPAD. Tale dispositivo prevede inoltre un TDC per aumentare la precisione temporale di dectection dei fotoni. Questa caratteristica, unita all’uso di una procedure di post-processing appositamente sviluppata e basata sull’algoritmo di Zhou-Bruk, ha permesso di raggiungere un bit rate finale pari a 300 Mbit/s. Per quanto riguarda i sistemi QKD, all’interno di un progetto di collaborazione tra l’Università di Padova, l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) insieme al Matera Laser Ranging Observatory (MLRO) e la Chinese Academy of Sciences (CAS) è stato sviluppato un software di gestione di un dispositivo TDC. Il progetto prevede la realizzazione di uno scambio di chiave crittografica quantistica tra il satellite cinese Micius e l’osservatorio di Matera. Il software è stato progettato per la gestione dell’intera acquisizione dati sincronizzata al tempo UTC. Inoltre è stato sviluppato anche un software per la gestione di componenti elettro-optomeccanici e elettro-ottici atti alla compensazione tempo variante delle variazioni angolari del fascio nel percorso ottico. Sempre all’interno di una collaborazione tra ASI e Università di Padova, è stato sviluppato un sistema completo di QKD free space per distanze nell’ordine di decine di chilometri. Lo sviluppo del sistema ha richiesto la progettazione di molteplici componenti. In questo lavoro viene descritta la parte della sorgente QKD e quindi della progettazione della scheda FPGA dedicata. Tale scheda ha il compito di generare gli impulsi elettrici per il controllo del laser per la produzione dei qubit e per il controllo dei modulatori di fase e di intensità elettro-ottici.