Advanced techniques for quantum communications in free-space channels

This thesis is focused on the development of advanced techniques for quantum communications in free-space channels. At present there are several demonstrations of quantum communication protocols at long distances, many of these exploit optical fiber as transmission channel. The optical fiber is very advantageous in that it is scarcely influenced by external conditions and allows to connect remote localities that are not in direct line of sight. On the other hand, it presents strong limitations in transmission distance because of dispersion and attenuation. It is therefore necessary to explore new transmission channels in order to allow a global spread of quantum communication. The free-space channels are good candidates, both the vertical ones (between earth and space) and the horizontal ones. The study of these is of fundamental importance for the extension of quantum communication over a global scale. Since the eighties to present day have been defined several quantum communication protocols such as Bennet-Brassard 84 (BB84), Bennet 92 (B92), Ekert 91, Decoy State, Dense Coding, etc.. These protocols present different characteristic such as reliability, security and key rate. These three parameters are very important for the characterization of a communication protocol and are directly related to each other. The development of new quantum communication protocols that maximize these parameters is very important for future progress of quantum communications. This thesis is divided into three parts. In the first part we consider the characteristics and the behaviour of a free-space horizontal quantum channel. We study the impact of atmospheric turbulence in the case of single beam propagation and twin-beam propagation. We then measure the losses of the channel and analyse the effect of turbulence on photon statistics. Finally, we propose a method that exploits the turbulence to improve the signal to noise ratio (SNR) of the channel. In the second part we take into consideration the security and efficiency of Quantum Key Distribution (QKD) protocols . We propose the experimental demonstration of the B92 protocol with non-maximally entangled states . Using this kind of states allow us to improve the security and the key rate of this protocol. Finally, in the last part, we presented a possible way to improve the quantum channel capacity exploiting hyperentangled photon pairs. We designed and experimentally tested a system that can be used to transmit hyperentangled states at long distances.

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.