Modulatori ultraveloci in Niobato di Litio per le telecomunicazioni quantistiche

I present an elaboration on the realisation of an integrated photonic circuit that would play a fundamental role in the development of quantum applications based on photon-encoded quantum states. The focus is particularly on quantum key distribution (QKD), which overcomes the inherent vulnerabilities of classical cryptographic schemes that rely on hard problems with high computational resources. The developed device addresses the security challenges associated with quantum states encoded in time, known as temporal post-selection, which can affect the security of quantum applications. This has been achieved by realising an integrated quantum receiver that exploits the thin-film lithium niobate (TFLN) integrated photonic platform, which is recently available on a commercial scale. Leveraging integration, the device achieves the high-speed electro-optic manipulation of time-bin quantum states with GHz-rages operation, which enhances performance further compared to previous demonstrations, particularly with regard to the achievable final rates. The device's architecture enables arbitrary projective measurements on time-bin states, providing versatility for multiple quantum applications. The first stage of the project involved theoretical modelling, performance estimation and numerical simulations to optimise the device design while taking into account platform limitations and figures of merit. The first half of my PhD, conducted at Advanced Fiber Resources Milan, centred on designing the integrated photonic circuit and simulating and investigating tailored structure components to enhance performance. I also collaborated closely with the industrial fabrication process to ensure the production of high-quality, commercial-grade products. Following fabrication, I performed systematic device characterisation to select optimised units and proceeded with the development of customised packaging for the chips, utilising the company's industrial expertise to maximise performance. In my final year, I conducted experimental demonstrations in the university laboratory, including entanglement certification with high-visibility Bell inequality violation and the implementation of real-world QKD. The system achieved state-of-the-art results, such as stable, high-rate secure key generation and the elimination of temporal post-selection loopholes. This was enabled by ultrafast active switching and flexible projection-basis selection.

In questo lavoro si presenta la progettazione e la realizzazione di un circuito fotonico integrato che svolge un ruolo fondamentale nello sviluppo di applicazioni quantistiche basate su stati codificati in fotoni. La principale applicazione dimostrata è la distribuzione a chiave quantistica (QKD), che permette di superare le vulnerabilità intrinseche degli schemi crittografici classici grazie alle proprietà della meccanica quantistica, anziché basarsi sulla complessità computazionale di problemi matematici. Il dispositivo fotonico integrato utilizza stati quantistici codificati nel tempo e mira a eliminare i limiti di sicurezza associati alla post-selezione degli eventi temporali (temporal post-selection). Tali eventi, infatti, possono compromettere la sicurezza intrinseca delle comunicazioni quantistiche. Questo obiettivo è stato conseguito mediante lo sviluppo di un ricevitore quantistico integrato che sfrutta la piattaforma in niobato di litio a film sottile (TFLN), recentemente resa disponibile su scala commerciale grazie alle eccellenti proprietà elettro-ottiche già ampiamente sfruttate nelle telecomunicazioni classiche. Grazie all'integrazione, il dispositivo consente la manipolazione elettro-ottica ad alta velocità di stati quantistici time-bin con frequenze operative nell'ordine dei GHz. Ciò permette di migliorare le prestazioni rispetto alle precedenti dimostrazioni, specialmente in termini di velocità di generazione delle chiavi (key rate). L'architettura del dispositivo consente, inoltre, di eseguire misure proiettive arbitrarie su stati time-bin, garantendo un'elevata versatilità per molteplici applicazioni, come la tomografia e la preparazione arbitraria di stati generici codificati nel tempo. La fase iniziale del progetto si è focalizzata sulla modellizzazione teorica, sulla stima delle prestazioni attese e su simulazioni numeriche volte a ottimizzare il design del dispositivo, tenendo conto dei limiti tecnologici della piattaforma e delle relative figure di merito. Durante la prima metà del dottorato, l'attività si è svolta presso l'azienda Advanced Fiber Resources (AFR) Milano, concentrandosi sulla progettazione del circuito e sulla simulazione di componenti strutturali ottimizzati. A seguito della fabbricazione dei circuiti ottici integrati, è stata eseguita una caratterizzazione sistematica dei dispositivi per selezionare le unità ottimali, successivamente inserite in un packaging dedicato per massimizzarne l’utilizzabilità e il controllo. Infine, sono state svolte le fasi sperimentali volte alla dimostrazione di applicazioni quantistiche, includendo la certificazione dell'entanglement tramite la violazione delle disuguaglianze di Bell, l’esecuzione della tomografia di stati quantistici entangled codificati nel tempo e l'implementazione della QKD. Il sistema ha raggiunto risultati allo stato dell'arte, quali la generazione di chiave quantistica senza interruzioni per diverse ore e con velocità elevate, il tutto senza la post-selezione degli eventi temporali.