Quantum information with polarization and temporal degrees of freedom

Questo lavoro è incentrato sulla creazione, manipolazione e rivelazione di fotoni, in uno o due gradi di libertà, codificati nel dominio del tempo o della polarizzazione. L’entanglement quantistico può essere usato per una vasta gamma di applicazioni che non sono possibili classicamente, come il teletrasporto quantistico, il denscoding e la crittografia quantistica. Quest’ultima, fornisce un grado di sicurezza incondizionato, poichè basata su leggi fisiche. Attualmente, le reti di comunicazione quantistica sono state implementate a livello cittadino utilizzando fibre ottiche per le telecomunicazioni. In uno scenario futuro, sarà necessario raggiungere distanze maggiori, ma a causa delle alte perdite, soluzioni basate su link in fibra saranno difficili da implementare. Un’alternativa è quella di utilizzare reti satellitari per le comunicazioni quantistiche. In questo lavoro ci focalizziamo sulla realizzazione di una sorgente di fotoni hyper-entangled in tempo e polarizzazione. La particolarità di questa sorgente è la possibilità di condividere lo stato tra due utenti spazialmente separati. Inoltre, abbiamo sviluppato un algoritmo di tomografia quantistica basato sul compressed sensing, per la ricostruzione di uno stato con un numero molto limitato di misure. Per poter funzionare, questo algoritmo ha bisogno di informazioni sullo stato di partenza. Successivamente, vedremo come il loophole dovuto alla postselezione in una sorgente di fotoni entangled in time-bin, può essere superato con una buona implementazione del setup ottico. Infatti nel nostro esperimento è stato possibile raggiungere una visibilità molto elevata, che ha permesso di violare le disuguaglianze di Bell concatenate. Vedremo inoltre, la possibilità di utilizzare fotoni codificati nel dominio temporale in un canale satellite-terra. Infatti, abbiamo dimostrato che la turbolenza non rovina lo stato inviato, aprendo la strada a futuri sviluppi basati sulla codifica temporale. Infine, per completare questo lavoro, una sorgente di fotoni entangled in polarizzazione è stata utilizzata per dimostrare un nuovo metodo per la certificazione della randomicità di una sorgente.