FPGA-based FFT processing for real-time synchronization of Quantum Communication systems

This thesis addresses the design and implementation of a synchronization module for Quantum Key Distribution (QKD) systems based on the Qubit4Sync protocol. The module is implemented on a Field Programmable Gate Array (FPGA) digital chip on the ZCU-102 development board with UltraScale+ architecture. The system uses the qubits exchanged in QKD communication to implement synchronization between transmitter and receiver, without requiring dedicated hardware, and can also be used to control a Single Photon Detector (SPD). Experimental tests performed in a controlled environment demonstrate that this system is indeed functional. Furthermore, the thesis illustrates further uses and developments of the system, as well as its scalability.

Questa tesi affronta la progettazione e l’implementazione di un modulo di sincronizzazione per sistemi di Quantum Key Distribution (QKD) basato sul protocollo Qubit4Sync. Il modulo è implementato su chip digitale programmabile Field Programmable Gate Array (FPGA) sulla scheda di sviluppo ZCU-102 con architettura UltraScale+. Il sistema utilizza i qubit scambiati nella comunicazione QKD per implementare la sincronizzazione tra trasmettitore e ricevitore, senza richiedere hardware dedicato e può essere anche utilizzato per il controllo di un Single Photon Detector(SPD). Test sperimentali eseguiti in un ambiente controllato dimostrano che tale sistema è effettivamente funzionale. Inoltre, la tesi illustra ulteriori utilizzi e sviluppi del sistema e la scalabilità del sistema proposto.