STUDY FOR A CROSS-ENCODED REFERENCE-FRAME-INDEPENDENT QUANTUM KEY DISTRIBUTION PROTOCOL

Quantum Key Distribution is probably the most advanced application of Quantum Mechanics that finds concrete implementation in the real world. The enormous success reached in these few decades is to be attributed to its strong reliability, based on the theoretical assumption that it can, in principle, guarantee unconditional security. Nowadays, several different strategies are studied and exploited in order to efficiently encode quantum information, obviously each one carrying its own advantages and drawbacks. However, the protocol investigated in this work can be defined as cross-encoded, since it hernesses two transitions, from polarization to time-bin, returning again to polarization. By means of this choice the advantages of both the encoding techniques can be achieved, extremely useful in hybrid networks, when both optical fibers and free-space links are implemented. The most relevant aspect of the protocol here analyzed relies on its being reference-frame-independent, meaning that the requirement of a shared reference-frame that constantly adjust itself to properly measure the received states is no longer needed. This reduces the experimental difficulties introduced by performing active control for the alignment of the measurement basis. This relaxation in terms of active control in the receiver apparatus is however compensated by the requirement of four single photo-detectors, one for each cardinal state in the equator of the Bloch sphere. Thus, the setup so implemented allows to retrieve an accurate description of the states collected by the receiver, as they appear in the equatorial plane identified by the measurement basis. The final result is a robust three-state protocol, with no requirements in terms of calibration of the reference-frame, capable of achieving comparable results in terms of security with respect to more complex architectures.

La distribuzione di chiave quantistica è probabilmente l'applicazione più avanzata della Meccanica Quantistica, che trova implementazioni concrete nel mondo reale. L'enorme successo acquisito in questi ultimi decenni è da attribuirsi alla solida affidabilità che essa è in grado di garantire, basandosi sui postulati teorici che ne garantiscono sicurezza incondizionata. Al giorno d'oggi differenti strategie sono studiate e impiegate al fine di codificare in maniera efficace informazione quantistica; ovviamente ogni alternativa è foriera di propri vantaggi e svantaggi. Tuttavia il protocollo investigato in questo elaborato viene definito a codifica mista, dal motivo che esso sfrutta contemporaneamente due strategie differenti: la codifica in polarizzazione e quella detta in time-bin. Attraverso questa scelta sono sfruttati i vantaggi di entrambe le tecniche crittografiche, permettendo l'utilizzo combinato di reti ibride nelle quali sono impiegate sia fibre ottiche che collegamenti in spazio libero. La caratteristica più importante del protocollo considerato è il suo essere indipendente da qualsiasi sistema di riferimento, il che significa che in applicazioni pratiche non è richiesto nessun sistema di controllo atto a correggere istantaneamente il sistema di riferimento sul quale vengono misurati gli stati di polarizzazione. In tal modo è possibile ridurre le limitazioni introdotte da un sistema in retroazione. Questo rilassamento nel dispositivo ricevitore è tuttavia compensato dall'implementazione di quattro foto-rivelatori a singolo fotone, uno per ogni stato cardinale nell'equatore della Sfera di Bloch. Così facendo, il sistema progettato permette di derivare una descrizione accurata degli stati misurati al ricevitore, poiché essi appaiono nel piano equatoriale sul quale le basi di misura giacciono. Il risultato finale porta ad un protocollo basato su tre stati quantistici, che non necessita di alcuna calibrazione del sistema di riferimento, capace di garantire risultati simili in termini di sicurezza a ciò che si più ottenere con architetture più complesse.