Metrologia per le tecnologie quantistiche: caratterizzazione di rivelatori di singoli fotoni per co-municazioni quantistiche in aria

In the last decades, the research on quantum technologies has been growing constantly. These are technologies that exploit quantum foundations (entanglement, quantum superposition, etc.). At present, several quantum devices are already commercial, i.e. quantum key distribution (QKD)[2] devices or single-photon detectors[1]. For this reason, the metrological research for the characterization of such devices is attracting a growing interest. During my bachelor thesis, I worked on the development and the implementation of a metrological protocol for the characterization of Silicon-based Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs), which are widely employed in free-space QKD for detecting photons in the near-infrared wavelength (850nm). The studied protocol is based on the comparison between a calibrated classical detector with respect to the number of photon detected by a SPAD after the attenuation to the single-photon level regime. In particular, I was involved in the setup of the experimental apparatus and its tests and optimizations. Further, I contributed to the measurements and the data analysis. Finally, I participated in the discussion about the related uncertainty evaluation. In order to carry out these activities, I learned the programming software environments NI LabView and Wolfram Mathematica. I exploited the former for the set-up management and automatization, and the latter for the analytical data analysis. References [1] A. Migdall et al., Single-photon generation and detection: physics and applications. Academic Press (2013). [2] M.A. Nielsen and I. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information: 10th Anniversary Edition, Cambridge University Press (2010).

Negli ultimi decenni, la ricerca su tecnologie quantistiche, ossia tecnologie che sfruttano i fon-damenti e i fenomeni della meccanica quantistica (entanglement, sovrapposizione quantistica, ecc.), ha avuto un importante sviluppo dovuto a enormi investimenti in tutto il mondo. Con l’avvento di tali tecnologie, si è reso necessario implementare nuove tecniche metrologiche atte alla caratterizzazione dei dispositivi emergenti. In ottica quantistica, ad esempio, la caratterizzazione di dispositivi per la rivelazione di singoli fotoni è un compito cruciale che ha generato fervente ricerca in ambito metrologico. Durante il mio lavoro di tesi triennale ho partecipato allo sviluppo e all’implementazione di un protocollo metrologico per la caratterizzazione di un tipo di rivelatori definito Single Photon Ava-lanche Diode (SPAD)[1] al silicio, particolarmente utilizzati durante lo scambio quantistico di chia-vi crittografiche, in inglese quantum key distribution[2], per la rivelazione in aria di fotoni con lun-ghezza d’onda nel vicino infrarosso (850nm). Tale protocollo prevede di confrontare a parità di sorgente laser il segnale misurato da un rivela-tore classico tarato con la quantità di fotoni rivelata da uno SPAD dopo un’attenuazione fissa sufficiente a raggiungere un livello di intensità per cui statisticamente vengono emessi fotoni singoli. In particolare, ho seguito il processo di caratterizzazione contribuendo alla prima fase di implementazione dell’apparato sperimentale, all’ottimizzazione e alla verifica del funzionamento del suddetto apparato, come ad esempio la caratterizzazione di potenza e lunghezza d’onda di emissione della sorgente, la misura delle attenuazioni, il controllo di temperatura e quello della polarizzazione dei fotoni incidenti sul rivelatore. Successivamente ho contribuito alla raccolta dei dati, all’elaborazione dei risultati e ho partecipato attivamente alla discussione sull’ottimizzazione della relativa analisi dell’incertezza. Data la differente natura di queste attività rispetto alle mie esperienze pregresse, ho inoltre imparato e approfondito il linguaggio di programmazione LabView, utilizzato per la gestione e l’automatizzazione degli strumenti di misura utilizzati, e il software di analisi analitica dei dati Wolfram Mathematica. Referenze [1] A. Migdall et al., Single-photon generation and detection: physics and applications. Academic Press (2013). [2] M.A. Nielsen and I. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information: 10th Anniversary Edition, Cambridge University Press (2010).