Comunicazione ottica quantistica per sistemi energetici e reti intelligenti

This work presents the first experimental realization of a hybrid interferometric detector, inspired by a standard homodyne detector (HD) but using two silicon photomultipliers (SiPMs) as photon-number-resolving detectors. After characterizing the system to reproduce HD behavior, the study focuses on optimizing the intensity to balance mutual information and detector sensitivity. Different post-processing methods for binary phase-shift keying (BPSK) of coherent states are tested, and the best strategy is used to simulate a communication channel, including potential eavesdropping through channel losses. Results are compared with a simulated HD under identical parameters. A preliminary investigation of a four-phase encoding scheme is presented, including phase noise analysis and the first measurements of 4-PSK under channel losses, again compared with BPSK and standard HD predictions. Since all experiments use visible light, where SiPMs are highly efficient, the work explores telecom compatibility by developing an up-conversion receiver: signals at 1550 nm are converted to 620 nm to be detected by SiPMs. This proof of principle, tested on single detectors, shows promising results though requiring further optimization. Additionally, during a six-month stay in Nice, the quantum correlations of frequency combs generated in a silicon nitride micro-ring resonator were studied.

Il presente lavoro descrive la prima realizzazione sperimentale di un rivelatore interferometrico ibrido, ispirato al classico rivelatore omodino (HD), ma basato sull’impiego di due fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) come rivelatori risolutivi del numero di fotoni. Dopo aver caratterizzato il sistema per riprodurre il comportamento tipico di un HD, lo studio si concentra sull’ottimizzazione dell’intensità ottica, al fine di bilanciare al meglio l’informazione mutua e la sensibilità del rivelatore. Sono state testate diverse strategie di post-elaborazione per la modulazione di fase binaria (BPSK) di stati coerenti, e la più efficace è stata utilizzata per simulare un canale di comunicazione, includendo la possibilità di intercettazione rappresentata da perdite di canale. I risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli previsti da un HD simulato con parametri sperimentali identici. Viene inoltre presentata un’indagine preliminare su uno schema di codifica a quattro fasi (4-PSK), comprendente l’analisi del rumore di fase e le prime misure sperimentali di 4-PSK in presenza di perdite di canale, messe a confronto con le previsioni di BPSK e del rivelatore omodino standard. Poiché tutti gli esperimenti sono stati condotti nella regione del visibile, dove i SiPM mostrano un’elevata efficienza quantica, il lavoro esplora anche la compatibilità con le telecomunicazioni sviluppando un ricevitore a conversione verso l’alto: in questa configurazione, i segnali a 1550 nm vengono convertiti a 620 nm per essere rivelati dai SiPM. Questo esperimento di principio, testato su singoli rivelatori, ha mostrato risultati promettenti, pur richiedendo ulteriori ottimizzazioni. Infine, durante un soggiorno di ricerca di sei mesi a Nizza, sono state studiate le correlazioni quantistiche di pettini di frequenza generati in un microanello in nitruro di silicio.