Sviluppo e caratterizzazione di sistemi ottici per protocolli di crittografia quantistica

Quantum cryptography represents one of the most promising fields for secure communications, with protocols such as BB84 and its modern variants exploiting the fundamental properties of quantum mechanics to guarantee the secure transmission of information. Among the key components of these systems, the interferometer plays a central role in the encoding and decoding of qubits. This thesis presents the development and experimental characterization of four fiber optic interferometers, two at 1 GHz and two at 2 GHz, with the aim of studying their behavior as a function of applied voltage and temperature. A time-bin encoding experimental setup was also implemented, in order to understand the underlying principles of this technique and become familiar with the components involved, providing the foundation for a future implementation of a complete protocol. In the final part, the realization of a Faraday Knife Edge test setup is presented, which allows the Gaussian profile of the laser beam to be measured and its waist to be estimated. This approach can be used to calibrate instrumentation employed, for example, in free-space quantum cryptography protocols or in other experiments.

La crittografia quantistica rappresenta uno dei campi più promettenti per la sicurezza delle comunicazioni, con protocolli come il BB84 e le sue varianti moderne che sfruttano le proprietà fondamentali della meccanica quantistica per garantire la trasmissione sicura di informazioni. Tra i componenti chiave di questi sistemi, l'interferometro gioca un ruolo centrale nella codifica e decodifica dei qubit. In questo lavoro di tesi vengono presentati lo sviluppo e la caratterizzazione sperimentale di quattro interferometri a fibra ottica, due da 1 GHz e due da 2 GHz, con l'obiettivo di studiarne il comportamento al variare della tensione applicata e della temperatura. È stato inoltre realizzato un setup sperimentale in codifica time-bin, al fine di comprendere i principi alla base di questa tecnica e familiarizzare con i componenti coinvolti, costituendo la base per una futura implementazione di un protocollo completo. Nella parte finale viene presentata la realizzazione di un setup per il Faraday Knife Edge test, che consente di misurare il profilo gaussiano del fascio laser e stimarne il waist. Questo approccio può essere utilizzato per calibrare la strumentazione utilizzata ad esempio nei protocolli di crittografia quantistica in free space oppure in altri esperimenti.