Ottimizzazione di quantum dots come sorgenti per la distribuzione a chiave quantistica

Quantum Key Distribution (QKD) offers information-theoretic secu-rity based on the laws of physics, and photonics is the leading platform for its experimental realization. Poisson Distributed Sources (PDS), such as parametric conversion or weak laser pulses, play a central role in the field of photonic quantum information processing. Nevetheless, their photon emission is probabilistic and their multi-photon components are a limitation for the overall efficiency of the communication rate. Semiconductor Quantum Dots (QDs), which can in principle deliver on demand non-classical states of light, hold the promise to overcome these issues. The work documented in this thesis addresses the development and optimization of an experimental apparatus extracting highly-pure single and entangled photons from QDs emitting in the telecommunication C-band [46,44] in order to perform QKD protocols. Despite some pioneering work has been already done in this direction [58,13,48], our work aims at evidencing novel features of quantum dots, such as the loss of coherence in the photon number basis, benchmarking the conditions to obtain an advantage over the well established PDS.

La distribuzione a chiave quantistica (QKD) offre una sicurezza crittografica basata esclusivamente su leggi fisiche, senza alcuna assunzione sulla limitata potenza computazionale dell’avversario e, attualmente, la fotonica è la piattaforma più adatta per la sua realizzazione sperimentale. In questo campo, le sorgenti ad emissione Poissoniana (PDS), come la conversione parametrica o gli impulsi laser attenuati, hanno un ruolo centrale. Tuttavia,illorostatodioutputnaturalmentepresentacomponentichecontengonopiùdiunfotoneequesto,oltreaminacciare la sicurezza del protocollo di comunicazione, pone grosse limitazioni sulla sua efficienza. I Quantum Dots (QDs) a semiconduttore, grazie alla loro capacità di emettere stati puri di luce non classica on-demand, sono una piattaforma promettente per questo tipo di applicazioni. Il lavoro descritto in questa tesi di laurea affronta lo sviluppo e l’ottimizzazione di un apparato sperimentale che utilizza fotoni estratti da QDs che emettono nella banda C delle telecomunicazioni [46,44] al fine di eseguire protocolli di QKD. Nonostante alcuni articoli pionieristici già pubblicati nello stesso campo [58,13,48],il nostro lavoro evidenzia come alcune caratteristiche poco esplorate dei QDs, quali la perdita di coerenza nella base di Fock, possano aumentare il livello di sicurezza della comunicazione, con l’obiettivo distabilireprecisamentelecondizioniperottenereunvantaggiorispettoalle sorgenti PDS.