Misure Generalizzate e Strumenti Avanzati per i Protocolli di Informazione Quantistica

Quantum information stands at the foundations of several promising technologies and is a window to a better understanding of quantum physics as a whole. However, because it is a fairly new research area, the boundaries of what it can and cannot do are still to be defined. This doctoral thesis explains the new and interesting possibilities that are opened up when some common idealizations and assumptions are removed. First, it focuses on general quantum measurements, which, overcoming the restrictions of the usual projective ones, can harvest a quantum resource repeatedly. This is applied to random access codes, certification of entanglement and nonlocality, and production of random numbers. These protocols are studied in their strengths, weaknesses, applications, limitations, and, most importantly, in their feasibility, which is evaluated experimentally. Then, the thesis introduces two advanced tools for quantum communications. One is a general analytical model that starts from a comprehensive description of quantum key distribution (QKD) systems and estimates their performance indicators. This is used to support experimental evidence, guide optimal design choices, and answer questions about the hidden facets of QKD. The other is a variation of the decoy-state method which requires weaker assumptions on the photon-number distribution in use. This enables the application of a wider set of photon sources to QKD. This thesis transmits most of what I learned during the three years of my Ph.D. studies. I hope that it can broaden its readers' view on quantum information and give a small contribution to the development of quantum technologies.

L'informazione quantistica sta dando vita a numerose promettenti tecnologie e permette di raggiungere una più profonda comprensione di tutta la fisica quantistica. Ciononostante, il confine fra ciò che può e non può fare non è ancora stato ben definito. Questa tesi di dottorato spiega come la rinuncia ad alcune comuni assunzioni e idealizzazioni apre nuove e interessanti possibilità. Per prima cosa si sofferma sulle misure quantistiche generalizzate, le quali possono superare le limitazioni delle più tipiche misure proiettive e possono sfruttare una risorsa quantistica più volte. Nella tesi, esse sono applicate ai random access codes, alla certificazione dell'entanglement e alla produzione di numeri casuali. Questi protocolli vengono studiati nei loro punti di forza, di debolezza, nelle applicazioni, nelle limitazioni e, soprattutto, nella fattibilità sperimentale. Dopodiché, la tesi presenta due nuovi strumenti avanzati per la comunicazione quantistica. Il primo è un modello analitico generale che stima le performance di un sistema di distribuzione di chiave quantistica (QKD, dall'inglese quantum key distribution) a partire da una descrizione comprensiva di come esso si compone. Il modello viene usato come supporto per risultati sperimentali, per aiutare il design di apparati di QKD e per studiare meglio alcuni dettagli della QKD stessa. Il secondo è un'estensione del metodo dei decoy states che richiede meno assunzioni sulla distribuzione statistica dei fotoni. Così facendo, esso facilita l'uso di nuove sorgenti di fotoni in QKD. Questa tesi cerca di trasmettere gran parte di ciò che imparato durante i tre anni della mia formazione da dottorando. Spero che possa allargare le vedute del lettore sull'informazione quantistica e dare un piccolo contributo allo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche.