High Performances Systems for Applications of Quantum Information

This thesis work is about the realization of hardware and software systems for Quantum Random Number Generation (QRNG) and Quantum Key Distribution (QKD). Such systems were developed to guarantee a full functionality for a broader investigation of these two cutting edge applications of Quantum Information field. The thesis describes in details both the hardware and the software that were developed for FPGA-CPU board, Time-to-Digital converter (TDC) devices and computers, along with QRNG and QKD specific applications and their results. Randy was the first FPGA-based QRNG device to be developed; it uses a light source attenuated to single-photon level and one single-photon avalanche diode (SPAD). From the sampling of the SPAD electrical signal, the device produces random numbers through dedicated generation protocols and through the Peres unbiasing algorithm in order to maximize the output generation bit rate. Furthermore, the device allows to generate real time random numbers. This feature is used for the time setting of electro-optical components for extending Wheeler’s delayed-choice experiment to space. The same techniques were applied to a second device, LinoSPAD; it combines an FPGA-chip and a CMOS-SPADs array. Moreover, in this device, a TDC improves the photon detection time accuracy. Along with a dedicated post-processing based on Zhou-Bruk algorithm, the TDC allowed to reach a final bit rate equivalent to 300 Mbit/s. As far as QKD systems are concerned, within the collaboration among the University of Padova, the Italian Space Agency (ASI) with the Matera Laser Ranging Observatory (MLRO) and the Chinese Academy of Sciences (CAS) a TDC device management software was developed. The project aim is to realize a quantum cryptographic key exchange between the Chinese satellite Micius and MLRO. The software was designed to manage the entire data acquisition synchronized with UTC time. Furthermore, another software was designed to deal with electro-optomechanical and electro-optical components. The software is aim at the time-variant compensation of the beam angular changes through the optical path. Once again, within a collaboration between ASI and University of Padova, a full free space QKD system over tenths of kilometers was developed. It required the design of various components. This work describes the QKD source along with the dedicated FPGA board design. Such board generates the electrical impulses to control the qubit laser along with the electro-optic phase and intensity modulators.

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.