Advanced measurement techniques for entangled photon pairs and applications

Entanglement is one of the most relevant features of quantum mechanics and a key resource for quantum communication. In photonic systems, entanglement plays a central role in practical applications, ranging from quantum teleportation to enhancing the security of device-independent (DI) protocols. This thesis presents the experimental implementation and evaluation of two novel receiver architectures, both using an entangled photon source utilizing a periodically poled lithium niobate (PPLN) crystal embedded in a Sagnac in- terferometer. Within the crystal, second-harmonic generation and spontaneous parametric down-conversion processes are involved. First, a fast-modulating receiver system is developed for the detection and analysis of entangled photons at high repetition rates of 500 MHz and 1 GHz. The practical implementation has to deal with all the challenges associated with high-speed operation. Finally, a second receiver architecture based on time multiplexing is imple- mented, enabling the measurement of quantum states using a reduced number of detection channels, providing an efficient detection scheme. The analysis of the results demonstrates the operational validity of both detection methods, proving them to be well-suited for larger implementations in future quantum communication networks.

L’entanglement è una delle caratteristiche più rilevanti della meccanica quantis- tica e una risorsa chiave per la comunicazione quantistica. Nei sistemi fotonici, l’entanglement svolge un ruolo centrale nelle applicazioni pratiche, che vanno dal teletrasporto quantistico al miglioramento della sicurezza dei protocolli de- vice independent (DI). Questa tesi presenta l’implementazione sperimentale e la valutazione di due nuove architetture di ricezione, le quali impiegano entrambe una sorgente di fotoni entangled che utilizza un cristallo di niobato di litio a polarizzazione peri- odica (PPLN) inserito all’interno di un interferometro di Sagnac. All’interno del cristallo, sono coinvolti i processi di second-harmonic generation e spontaneous- parametric down conversion. In primo luogo, viene sviluppato un sistema di ricezione a modulazione rapida per il rilevamento e l’analisi di fotoni entangled ad alti tassi di ripetizione di 500 MHz e 1 GHz. L’implementazione pratica deve far fronte a tutte le sfide associate al funzionamento ad alta velocità. Infine, viene implementata una seconda architettura di ricezione basata sul multiplexing temporale, che consente la misurazione degli stati quantistici uti- lizzando un numero ridotto di canali di ricezione, fornendo così uno schema di ricezione efficiente. L’analisi dei risultati dimostra la validità di entrambi i ricevitori, confer- mando che sono estremamente adatti per implementazioni su scala più ampia nelle future reti di comunicazione quantistica.