Realizzazione di una sorgente laser ultrastabile e caratterizzazione del suo rumore ai fini della distribuzione quantistica di chiavi crittografiche.

The increase in computing power and the prospected advent of quantum computers represent a concrete threat for modern cryptography, which is still based on a computational degree of security. Quantum mechanics allows the distribution of intrinsically-secure cryptographic keys through the encoding of information on single quantum states, such as individual photons transmitted in standard telecommunication optical fibres. In this context, Twin-Field Quantum Key Distribution (TF-QKD) is one of the most promising techniques for secure communication on long distances. In TF-QKD, the information is encoded on highly coherent photons generated in remote locations, that are sent through the fibres and interfered in an intermediate node. By analysing the result of the interference, the key can be extracted with no leakage of information to unauthorised parties. On the other hand, any uncontrolled variation in the phase difference between the remotely-generated photon pairs can introduce errors and reduce the key-rate. For TF-QKD to be effective, remote photon sources must maintain a mutual phase coherence on the typical times of a key exchange. The purpose of this thesis is the realisation of a high-coherence infrared laser source to be used in a TF-QKD experiment. The activity was performed at the Italian National Institute of Metrological Research (INRiM). The ultra-stable laser source is realised by frequency-locking a laser diode to one of the resonance modes of a high-finesse Fabry-Perot cavity, using the Pound-Drever-Hall technique. In this technique, part of the laser beam is sent to the resonator and the automated analysis of the reflected signal provides an indication of its detuning from the resonance frequency. This information is used to correct the frequency of the laser and keep it on the resonance peak. Temperature variations, as well as seismic and acoustic noise, affect the resonator length and so the resonance frequency. To minimise the impact of these factors, the resonator is placed in a high vacuum chamber, temperature-stabilised by a Peltier controller and positioned on an anti-vibration platform. During my activity, I contributed to the design of the physics package and I developed the mechanical, optical and electronic apparatus. I stabilised the laser to the resonator and characterised its phase noise by analysing the beatnote with a second, independent laser, already present in the laboratory. Measurements indicate that the laser developed within this thesis has a linewidth of about 1 Hz, which represents a 4 orders of magnitude improvement compared to the free-running laser. Finally, the laser was sent to an interferometer conceptually similar to the one implemented for TF-QKD, to quantify the impact of its noise on the amount of errors in the quantum key. Results show that the noise profile of the realised laser is compatible with the requirements for TF-QKD. Moreover, this scheme enabled us to optimise the locking parameters and to make useful considerations for the design of a TF-QKD architecture in a real-world scenario.

Con l'aumento delle potenze di calcolo nel mondo dell'informatica i metodi di crittografia classica, basati su sicurezza computazionale, stanno diventando meno sicuri. La meccanica quantistica consente la distribuzione di chiavi di crittografia intrinsecamente sicure, attraverso la codifica della chiave su singoli stati quantistici, ad esempio fotoni trasmessi nelle normali fibre ottiche usate per le telecomunicazioni. In questo ambito, la Twin-Field Quantum Key Distribution (TF-QKD) è una delle tecniche più promettenti per implementazione su reti in fibra ottica a lunga distanza. La TF-QKD è basata sulla codifica della chiave sulla fase di fotoni altamente coerenti generati in terminali distanti fra loro, che vengono fatti interferire in una postazione intermedia. Si dimostra che la chiave può essere estratta in modo sicuro analizzando il risultato di tale interferenza. D’altra parte, ogni variazione incontrollata nella differenza di fase fra i fotoni emessi dalle due sorgenti può introdurre errori di decodifica. Affinché la TF-QKD sia efficace, si richiede quindi che le sorgenti di fotoni mantengano una mutua coerenza di fase sui tempi tipici dello scambio di chiavi. L’obiettivo di questa tesi è la realizzazione di una sorgente laser ad alta coerenza nell’infrarosso da utilizzare come sorgente di fotoni in un esperimento di TF-QKD. L’attività è stata svolta presso l'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM). La sorgente laser ultrastabile è stata realizzata riferendo in frequenza un diodo laser ad uno dei modi di risonanza di una cavità Fabry-Perot ad alta finezza, utilizzando la tecnica di Pound-Drever-Hall. In questa tecnica, parte della radiazione ottica è inviata alla cavità e l'analisi del segnale riflesso consente di ottenere una indicazione dello scostamento in frequenza del laser rispetto al modo di risonanza. Questa informazione è utilizzata per correggere la frequenza del laser stesso e mantenerlo sul picco di risonanza. Le variazioni di temperatura, così come il rumore sismico e acustico, influenzano la lunghezza del risonatore e quindi anche la frequenza del modo di risonanza. Per minimizzare l’impatto di questi fattori, il risonatore è posto in ultra-alto vuoto, stabilizzato in temperatura mediante un controllore di tipo Peltier e posto su una piattaforma anti-vibrante. Durante l’attività ho contribuito a progettare e allestire l'apparato nella sua parte meccanica, ottica e elettronica, occupandomi della messa in vuoto della cavità, dell’allestimento e allineamento del banco ottico e della stabilizzazione del laser. Successivamente ne ho caratterizzato il rumore attraverso un confronto con un secondo laser di prestazioni simili già presente in laboratorio. Le misure indicano che il laser realizzato ha una larghezza di riga di circa 1 Hz, che rappresenta un miglioramento di 4 ordini di grandezza rispetto a quella del laser di partenza. Infine, il laser realizzato è stato inviato ad un interferometro concettualmente simile a quello previsto nella TF-QKD, per quantificare l’impatto del suo rumore sulla stima degli errori di trasmissione nella chiave. Dai risultati ottenuti è emerso che il profilo di rumore del laser realizzato è compatibile con i requisiti richiesti per la distribuzione quantistica di chiavi crittografiche. Inoltre, questo approccio ha permesso di ottimizzarne i parametri di aggancio e di effettuare considerazioni utili alla progettazione di un'architettura per la TF-QKD in ambiente reale