Advanced technologies for quantum key distribution

Quantum communications have been extensively studied over the years, resulting in a well-established theoretical foundation. However, ongoing research remains crucial as the focus shifts toward the practical implementation and engineering of quantum communication systems. Despite significant advancements, several technical and practical challenges still limit the widespread adoption of this technology. Overcoming these obstacles is essential to realizing real-world applications in the near future. This thesis explores two key aspects of quantum communications, addressing challenges that arise in different types of quantum channels. The first concerns improving quantum key generation when using spontaneous parametric down-conversion sources. The transmission of a limited number of quantum states constrains the length of the generated secret key. A spontaneous parametric down-conversion source offers a promising solution by generating photon pairs, where the idler photon carries the encoded information while the signal photon is used for local detection, improving the signal-to-noise ratio. By conditioning the transmitted states based on idler photon detection, the emission statistics are modified, resembling an intensity modulation scheme. By applying the decoy-state theory to arbitrary photon statistics, this approach can enhance the secret key rate per quantum state by up to 40% compared to the BB84 protocol with a single-decoy intensity, especially in scenarios with limited block sizes. The second aspect addressed in this work focuses on mitigating disturbances in unguided optical channel, where alignment and turbulence issues frequently impair communication performance. Factors such as mechanical vibrations, relative motion between transmitter and receiver, and atmospheric effects, including beam wander, scintillation, and spreading, can significantly degrade signal quality. To counter these issues, a pseudo-phase-conjugated mirror can be employed at the end of the optical path to retroreflect the incoming beam. This technique provides passive compensation for misalignment and mitigates wavefront distortions, preserving beam fidelity throughout transmission. By tackling these two complementary challenges, the thesis aims to contribute to the development of more robust and efficient quantum communication systems, bringing their practical deployment closer to reality.

Le comunicazioni quantistiche sono state oggetto di numerosi studi nel corso degli anni, dando origine a una solida base teorica. Tuttavia, la ricerca continua è essenziale, poiché l’attenzione si sta spostando sempre più verso l’implementazione pratica e l’ingegnerizzazione dei sistemi di comunicazione quantistica. Nonostante i notevoli progressi ottenuti, diversi ostacoli tecnici e pratici ne limitano ancora la diffusione su larga scala. Superare queste difficoltà è fondamentale per rendere possibili applicazioni concrete nel prossimo futuro. Questa tesi esplora due aspetti chiave delle comunicazioni quantistiche, affrontando problematiche che emergono in diversi tipi di canali quantistici. Il primo riguarda il miglioramento della generazione di chiavi quantistiche tramite sorgenti basate su spontaneous parametric down-conversion (SPDC). La trasmissione di un numero limitato di stati quantistici riduce la lunghezza della chiave segreta generata. Le sorgenti SPDC offrono una soluzione promettente generando coppie di fotoni, in cui il fotone idler porta l’informazione codificata, mentre il fotone signal viene utilizzato per la rivelazione locale, migliorando il rapporto segnale-rumore. Condizionando gli stati trasmessi sulla base della rivelazione del fotone idler, le statistiche di emissione vengono modificate, in modo simile a uno schema di modulazione di intensità. Applicando la teoria degli stati-esca (decoy-state) a distribuzioni fotoniche arbitrarie, questo approccio consente di aumentare il tasso di generazione della chiave segreta per singolo stato quantistico fino al 40% rispetto al protocollo BB84 con una singola intensità di esca, in particolare in scenari con blocchi di dati di dimensioni limitate. Il secondo tema affrontato in questa tesi riguarda la mitigazione delle perturbazioni nei canali ottici non guidati, dove problemi di allineamento e turbolenza compromettono frequentemente la qualità della comunicazione. Vibrazioni meccaniche, moto relativo tra trasmettitore e ricevitore, e fenomeni atmosferici come beam wander, scintillazione e allargamento del fascio possono ridurre drasticamente la qualità del segnale. Per contrastare questi effetti, è possibile impiegare uno specchio pseudo-coniugato di fase all’estremità del canale ottico, in grado di retro-riflettere il fascio incidente. Questa tecnica fornisce una compensazione passiva per errori di allineamento e distorsioni del fronte d’onda, contribuendo a preservare l’integrità del fascio lungo la trasmissione. Affrontando queste due sfide complementari, la tesi intende contribuire allo sviluppo di sistemi di comunicazione quantistica più robusti ed efficienti, avvicinando la loro applicazione pratica alla realtà.