IT202100013571A1

IT202100013571A1 - Ricevitore di distribuzione di chiavi quantistiche e metodo per rilevare una chiave crittografica

Info

Publication number: IT202100013571A1
Application number: IT102021000013571A
Authority: IT
Inventors: Alessandro Zavatta; Ilaria Vagniluca; Davide Bacco; Tommaso Occhipinti; Francesco Saverio Cataliotti; Natale Paolo De
Original assignee: Qti Srl
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2022-11-25
Also published as: CA3221200A1; WO2022248503A1; EP4348922A1; BR112023024700A2

Description

Ricevitore e metodo di distribuzione a chiave quantistica per rilevare una chiave crittografica

La presente invenzione riguarda un ricevitore di distribuzione a chiave quantistica per rilevare la presenza o l'assenza di uno stato quantistico, lo stato quantistico appartenendo a una chiave crittografica creata utilizzando un protocollo di comunicazione quantistica con stati quantistici N-dimensionali.

Le comunicazioni quantistiche, sfruttando singoli fotoni o impulsi deboli di luce, danno luogo a nuovi tipi di applicazioni, non possibili con una comunicazione ottica standard. Ad esempio, la possibilit? di distribuire chiavi crittografiche in modo incondizionatamente sicuro ? attualmente l?applicazione pi? rilevante da un punto di vista commerciale.

La crittografia quantistica offre infatti la possibilit? di distribuire chiavi crittografiche tra due o pi? utenti, sfruttando le leggi della meccanica quantistica. Queste chiavi consentono una comunicazione sicura dei dati in tempo reale utilizzando algoritmi di crittografia.

Gli stati quantistici possono essere creati utilizzando diversi gradi di libert?, ad esempio polarizzazione, tempo, spazio, fase, frequenza e altri o una combinazione di essi. Uno dei sistemi pi? efficaci e adatti per le reti di telecomunicazione odierne ? una codifica di tempo. In una codifica di tempo, vengono definiti diversi slot di tempo e i diversi stati quantistici possono essere distinti secondo il tempo di arrivo del fotone (o dell'impulso di luce debole). La base degli stati quantistici associati ai bit chiave codificati ? chiamata base computazionale.

Oltre alla base computazionale, ? necessario preparare anche una seconda base di stati quantistici, la cosiddetta base di sovrapposizione, al fine di certificare la sicurezza del protocollo quantistico.

Pertanto, la codifica di informazioni viene attuata su segnali ottici molto attenuati, con un'intensit? media di luce anche al di sotto di quella dei fotoni individuali. Questi segnali molto deboli sono chiamati qubit (o bit quantistici) e il loro uso permette di sfruttare le interessanti propriet? della meccanica quantistica, come accade ad esempio per la trasmissione sicura di informazioni private attraverso un canale non fidato. Per decodificare queste informazioni, il ricevitore deve fare una misurazione dello stato quantistico trasportato da ogni qubit. In particolare, nei sistemi di comunicazione quantistica a variabili discrete, le informazioni sono solitamente codificate nello stato di polarizzazione, nel tempo di arrivo (time-bin) o nella fase relativa di segnali laser fortemente attenuati.

Per rilevare questi qubit, il ricevitore utilizza generalmente un'apparecchiatura di misurazione contenente uno o pi? rilevatori a singolo fotone, o dispositivi di foto-rilevamento in grado di segnalare l'arrivo di segnali di luce molto deboli. Le lunghezze d'onda pi? utilizzate sono quelle tipiche delle telecomunicazioni ottiche, come le finestre a 1310 nm e 1550 nm utilizzate per una propagazione di segnale in fibre ottiche, o a 800/1550 nm per una propagazione di segnale nell'atmosfera. I rilevatori a singolo fotone basati su semiconduttori (SPAD) includono fotodiodi a valanga che operano nel regime di breakdown. Un altro tipo di rilevatori a singolo fotone ? basato su materiali superconduttori (SNSPD), in cui l'arrivo di un fotone ? segnalato dalla momentanea interruzione della superconduttivit?, causata dal fotone assorbito. I dispositivi SNSPD funzionano generalmente meglio degli SPAD, ma devono essere raffreddati a temperature criogeniche < 3?K (mentre per gli SPAD ? sufficiente un raffreddamento termoelettrico a circa 183?K-253?K).

In generale, tuttavia, tutti questi dispositivi hanno dimensioni considerevoli, un alto consumo di energia e un prezzo elevato, soprattutto per lunghezze d'onda infrarosse e i rilevatori superconduttori. Questo costituisce una seria limitazione allo sviluppo e alla diffusione delle tecnologie di comunicazione quantistica, in particolare per una codifica a variabili discrete. Inoltre, queste limitazioni ostacolano anche la loro potenziale integrazione in infrastrutture e reti in fibra ottica di telecomunicazione esistenti e attualmente utilizzate. In aggiunta, sia gli SPAD che gli SNSPD sono altamente suscettibili agli errori di lettura causati da segnali di rumore. Il rumore pu? originare sia dalle impurit? intrinseche del materiale che dall'ambiente circostante (come la luce del sole, la radiazione di corpo nero e la luce diffusa). Quest'ultimo caso ? comune quando la stessa fibra ? utilizzata simultaneamente per il trasporto di segnali classici e quantistici.

Vi ? pertanto la necessit? di un rilevatore o un metodo per rilevare impulsi deboli di luce che sia accurato e allo stesso tempo relativamente poco costoso.

Vi ? anche la necessit? di un rilevatore o di un metodo per rilevare impulsi deboli di luce che sia accurato e possa funzionare a temperatura ambiente.

Vi ? anche la necessit? di un rilevatore o un metodo per rilevare impulsi deboli di luce che sia accurato e compatibile con i sistemi e i dispositivi di telecomunicazione esistenti.

L'invenzione pu? soddisfare una o pi? delle esigenze di cui sopra.

Secondo un aspetto, l'invenzione riguarda un ricevitore per ricevere impulsi deboli di luce in un sistema di distribuzione a chiave quantistica con codifica a variabili discrete, il ricevitore comprendendo:

- Un accoppiatore ottico al 50% avente un primo e un secondo ingresso e una prima e una seconda uscita, l'accoppiatore ottico essendo adattato per essere connesso ad un canale quantistico per ricevere gli impulsi deboli al primo ingresso, ogni impulso debole avendo una durata T e una lunghezza d'onda???,? e segnali di oscillatore locale al secondo ingresso;

- Un laser di oscillatore locale adattato per generare i segnali di oscillatore locale, ogni segnale di oscillatore locale essendo un impulso di durata T e lunghezza d'onda in cui la differenza tra

e ? ? tale che:

- Un sistema di bloccaggio laser per bloccare la differenza tra le lunghezze d?onda ? e ? a un valore fisso, in modo che la differenza rimanga costante nel tempo;

- Un sincronizzatore connesso al laser di oscillatore locale in modo che il laser di oscillatore locale emetta un segnale di oscillatore locale in un dato tempo per il quale l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale raggiungono il primo e il secondo ingresso, rispettivamente, allo stesso tempo; - Un primo e un secondo fotorilevatore, il primo e il secondo fotorilevatore essendo connessi alla prima e alla seconda uscita, rispettivamente, dell'accoppiatore ottico ed emettendo un primo e un secondo segnale elettrico, il primo e il secondo segnale elettrico essendo funzione dell'interferenza tra l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale nell'accoppiatore ottico;

- Un circuito elettronico configurato per ottenere un segnale di differenza, il segnale di differenza essendo funzione della differenza tra il primo segnale elettrico emesso dal primo fotorilevatore e il secondo segnale elettrico emesso dal secondo fotorilevatore;

- Un filtro adattato per filtrare il segnale di differenza, generando un segnale filtrato che include una porzione del segnale di differenza avente una frequenza in un range di frequenza intorno a una frequenza di portante f, dove

- Un discriminatore, il discriminatore essendo configurato per determinare se il segnale filtrato ha una funzione di valore dell'ampiezza superiore a una soglia fissa.

Secondo un ulteriore aspetto, l'invenzione riguarda un ricevitore per ricevere impulsi deboli in un sistema di distribuzione a chiave quantistica con codifica a variabili discrete, il ricevitore comprendendo:

- Un accoppiatore ottico al 50% avente un primo e un secondo ingresso e una prima e una seconda uscita, l'accoppiatore ottico essendo adattato per essere connesso ad un canale quantistico per ricevere gli impulsi deboli al primo ingresso, ogni impulso debole avendo una durata T e una lunghezza d'onda e segnali di oscillatore locale al secondo ingresso;

- Un laser di oscillatore locale adattato per generare i segnali di oscillatore locale, ogni segnale di oscillatore locale essendo un impulso di durata T e lunghezza d'onda ? identica a

- Un variatore di fase, il variatore di fase essendo adattato per modulare, con una frequenza di modulazione, la fase dell'impulso debole o del segnale di oscillatore locale prima che interferiscano nell'accoppiatore ottico;

- Un sincronizzatore connesso al laser di oscillatore locale in modo che il laser di oscillatore locale emetta un segnale di oscillatore locale in un dato tempo per il quale l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale raggiungono il primo e il secondo ingresso, rispettivamente, allo stesso tempo;

- Un primo e un secondo fotorilevatore, il primo e il secondo fotorilevatore essendo connessi alla prima e alla seconda uscita, rispettivamente, dell'accoppiatore ottico ed emettendo un primo e un secondo segnale elettrico, il primo e il secondo segnale elettrico essendo funzione dell'interferenza tra l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale nell'accoppiatore ottico;

- Un filtro adattato per filtrare il segnale di differenza, generando un segnale filtrato che include una porzione del segnale di differenza avente una frequenza in un range di frequenza intorno alla frequenza di modulazione che ? stata precedentemente applicata dal variatore di fase;

Secondo un ulteriore aspetto, l'invenzione riguarda un metodo per rilevare la presenza o l'assenza di impulsi deboli in un sistema di distribuzione a chiave quantistica con codifica a variabili discrete, il metodo comprendendo:

- Ricevere un segnale quantistico da un canale quantistico avente una durata T e lunghezza d'onda

- Generare un segnale di oscillatore locale avente durata T e lunghezza d'onda n cui la <differenza tra> <? e> <? ? tale che:>

- Mantenere la differenza tra ? e

- Immettere ad un primo e secondo ingresso di un accoppiatore ottico al 50% allo stesso tempo l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale;

- Creare un segnale di interferenza tra l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale utilizzando l'accoppiatore ottico al 50%;

- Rilevare il segnale di interferenza ad una prima e ad una seconda uscita dell'accoppiatore ottico; - Emettere un primo e un secondo segnale elettrico in funzione del segnale di interferenza rilevato; - Sottrarre il primo e il secondo segnale elettrico ottenendo un segnale di differenza;

- Filtrare il segnale di differenza generando un segnale filtrato che include una porzione del segnale di differenza avente una frequenza in un range di frequenza intorno a una frequenza di portante f, dove

- Confrontare il segnale di differenza con una soglia;

- Determinare che un impulso debole ? stato ricevuto se un parametro del segnale di differenza ? al di sopra della soglia.

Secondo un altro aspetto, l'invenzione riguarda un metodo per rilevare la presenza o l'assenza di impulsi deboli in un sistema di distribuzione a chiave quantistica con codifica a variabili discrete, il metodo comprendendo:

- Ricevere un impulso debole da un canale quantistico avente una durata T e una lunghezza d'onda

- Generare un segnale di oscillatore locale avente durata T e lunghezza d'onda ? identica a

- modulare la fase dell'impulso debole o del segnale di oscillatore locale prima di un?interferenza nell'accoppiatore ottico, comportando una frequenza di modulazione della fase;

- Rilevare il segnale di interferenza ad una prima e ad una seconda uscita dell'accoppiatore ottico;

- Emettere un primo e un secondo segnale elettrico in funzione del segnale di interferenza rilevato;

- Sottrarre il primo e il secondo segnale elettrico ottenendo un segnale di differenza;

- Filtrare il segnale di differenza generando un segnale filtrato che include una porzione del segnale di differenza avente una frequenza in un range di frequenza intorno alla frequenza di modulazione;

- Confrontare il segnale di differenza con una soglia;

La presente invenzione riguarda un metodo e un apparato per rilevare impulsi deboli di luce, con distribuzione poissoniana del numero di fotoni. Questi impulsi deboli sono un modo pratico e poco costoso per creare probabilisticamente impulsi a singolo fotone. Gli impulsi deboli sono creati per esempio usando un laser, che viene poi attenuato e randomizzato in fase, e sono largamente impiegati nei sistemi di crittografia quantistica per una distribuzione a chiave quantistica a variabili discrete (QKD). In ogni caso, la presente invenzione ? indipendente da come vengono generati questi stati di impulsi deboli. Per via della natura probabilistica (poissoniana) del numero di fotoni in un intervallo di tempo per un impulso debole, non c'? alcun modo di creare un impulso a singolo fotone con certezza, quindi le probabilit? di emissione di entrambi gli impulsi multi-fotone e vuoti devono essere gestite. Gli impulsi multi-fotone devono essere evitati nei sistemi QKD. Questo viene realizzato di solito attenuando molto la sorgente in modo che il numero medio di fotoni per impulso,?, cada ben al di sotto di 1.

Nella presente invenzione, gli impulsi deboli considerati, vale a dire, gli impulsi ricevuti dal ricevitore dell'invenzione, sono stati in cui ? ? 1 e ? < 1. La presente invenzione non funziona se vengono considerati gli stati di numero o gli stati di Fock (autostati dell'operatore di numero di fotoni). Cos? i ?segnali? ricevuti dal ricevitore o nel metodo dell'invenzione sono impulsi deboli dove ? ? circa 1 o pi? piccolo di 1.

Inoltre, con impulsi deboli ?di luce?, si intendono impulsi deboli di una radiazione elettromagnetica aventi una data lunghezza d'onda dettagliata di seguito.

Inoltre, la presente invenzione si occupa di una comunicazione quantistica a variabili discrete impiegando impulsi deboli che agiscono come portante di informazioni. Gli stati quantistici scambiati sono codificati nella polarizzazione, nella fase o nel bin di tempo dei qubit trasmessi e la chiave segreta ? stabilita in seguito al rilevamento degli ?impulsi? individuali (impulsi deboli di luce non correlati con distribuzione poissoniana del numero di fotoni). Pertanto, il ricevitore dell'invenzione riceve impulsi deboli che agiscono come portante di informazioni in un protocollo QKD.

Il ricevitore dell'invenzione include un accoppiatore ottico al 50%. L'accoppiatore ottico pu? includere per esempio un suddivisore di fascio al 50%. L'accoppiatore ottico include un primo e un secondo braccio. Per via della presenza dei due bracci, l'accoppiatore ottico definisce un primo ingresso e un secondo ingresso. L'accoppiatore ottico include inoltre una prima uscita e una seconda uscita. Il primo e il secondo braccio definiscono percorsi ottici identici per un rilevamento equilibrato.

Il ricevitore dell'invenzione ? adattato per essere connesso a un canale quantistico. Il canale quantistico pu? essere connesso al primo ingresso dell'accoppiatore ottico. Il canale quantistico ? adattato per trasportare l'impulso debole contenente le informazioni della chiave quantistica. Il canale quantistico pu? essere ad esempio un canale fisico, come una fibra ottica o un canale senza fili. Le informazioni condivise utilizzando il canale quantistico sono preferibilmente solo la chiave quantistica, che viene ulteriormente utilizzata per crittografare tutte le informazioni da condividere tra le due parti. Le informazioni crittografate utilizzanti la chiave quantistica vengono quindi condivise attraverso un ?canale classico?. Il canale quantistico e il canale classico possono essere in alcune forme di realizzazione lo stesso canale, come una fibra ottica.

Il ricevitore ? adattato per ricevere come ingresso impulsi deboli sotto forma di impulsi di luce, vale a dire di radiazione elettromagnetica avente una durata T e una lunghezza d'onda Il ricevitore dell'invenzione determina se il segnale ricevuto ? un impulso debole o ? semplicemente rumore. In altre parole, l'uscita del ricevitore ? la determinazione se il segnale ricevuto ? uno stato quantistico debole, per esempio come parte di uno stato quantistico di una chiave quantistica crittografica, o un segnale di rumore. Il ricevitore ha quindi la funzione di un ?rilevatore a singolo fotone?. Nel seguito, la porzione del ricevitore che ? dedicata a rilevare se un impulso debole ? stato ricevuto, ? chiamata porzione di ?rilevatore a singolo fotone?.

Il ricevitore dell'invenzione non determina il contenuto delle informazioni contenute nell'impulso debole, determina solo se ? presente un impulso debole. Se l'impulso debole ? in accordo con un protocollo di polarizzazione o un protocollo di percorso o altri, elementi aggiuntivi sono presenti nel ricevitore a monte della porzione di ?rilevatore a singolo fotone? per determinare il contenuto delle informazioni codificate in questo grado di libert?. Per esempio, nella codifica di polarizzazione, un'ottica polarizzata ? necessaria per proiettare gli stati quantistici. In caso di codifica di fase o di bin di tempo, un interferometro a linea di ritardo sar? utilizzato per la misurazione.

Un trasmettitore pu? per esempio emettere gli impulsi deboli ricevuti dal ricevitore dell'invenzione. Il trasmettitore pu? emettere gli impulsi deboli per mezzo di un laser. Ogni impulso debole ? preparato come uno stato quantistico, e l'insieme di diversi stati quantistici ? preparato in un tipico protocollo di comunicazione quantistica.

In aggiunta agli impulsi deboli ricevuti di proposito, il ricevitore pu? ricevere anche rumore come segnali di ingresso. I segnali di rumore sono sostanzialmente inevitabili, sebbene il loro numero e intensit? possano essere minimizzati utilizzando tecniche note.

Ci sono due categorie principali di rumore che sono intrinseche nel rilevatore: il rumore granulare e il rumore termico. Con rumore ?granulare? si intende il rumore ottico tipico di un laser. Il rumore termico ? il rumore ?elettronico? del fotorilevatore e dell'elettronica complessiva del ricevitore.

Un?analisi del rumore granulare pu? essere trovata per esempio in:

. ?Quantum shot noise.? (2003).

Il rumore termico, chiamato anche rumore di Johnson-Nyquist, ? il rumore generato dall'agitazione termica dei portatori di carica (di solito gli elettroni) all'interno di un conduttore elettrico all'equilibrio, che avviene a prescindere da qualsiasi tensione applicata.

Il ricevitore della presente invenzione ? adattato per minimizzare il numero di conteggi al buio che hanno luogo durante una ricezione degli impulsi deboli. Il tasso di conteggio al buio ? il tasso medio di conteggi registrati (vale a dire un segnale di impulso debole presente secondo il ricevitore) senza alcun impulso debole incidente.

Gli impulsi deboli che vengono ricevuti dal ricevitore dell'invenzione sono polarizzati e possono essere in qualsiasi stato di polarizzazione. Tutti gli impulsi deboli ricevuti dal ricevitore dell'invenzione o nel metodo dell'invenzione hanno preferibilmente tutti la stessa durata T. Preferibilmente, gli impulsi deboli ricevuti dal ricevitore dell'invenzione o nel metodo dell'invenzione hanno anche tutti la stessa lunghezza d'onda. Per esempio, gli impulsi deboli sono generati da un trasmettitore che include un laser pulsato.

Il ricevitore ? anche adattato per essere connesso a un'uscita di una sorgente laser, chiamata sorgente laser di oscillatore locale. L'uscita della sorgente di oscillatore locale ? connessa al secondo ingresso dell'accoppiatore ottico. Questa sorgente di laser di oscillatore locale (LO) genera impulsi di oscillatore locale (LO) che hanno un numero medio di fotoni per impulso molto maggiore di 1, vale a dire, in media ?LO >> 1. Questo significa che la potenza di picco dell'impulso generato dal laser di oscillatore locale ? per esempio di circa 1-10 mW. Questo laser di oscillatore locale emette impulsi che hanno sostanzialmente la stessa durata T degli impulsi deboli che vengono ricevuti dal ricevitore. All'ingresso dell'accoppiatore ottico, l'impulso LO ? preferibilmente adattato per avere lo stesso stato di polarizzazione del corrispondente impulso debole che entra simultaneamente nell'accoppiatore ottico. Inoltre, gli impulsi LO hanno una lunghezza d'onda

La differenza tra la lunghezza d'onda dell'impulso di oscillatore locale e? la lunghezza d'onda dell'impulso debole ?? tale che:

Questo significa che la frequenza di portante del segnale di interferenza, dettagliata qui sotto,

<? di pochi Gigahertz, mentre la frequenza dei due segnali, vale a dire la frequenza dell'impulso debole >

e la frequenza del segnale di oscillatore locale ? preferibilmente nell'ordine delle

centinaia di Terahertz. Per esempio, per una lunghezza d'onda di 1550 nm, ? ? di circa 190 THz, per una lunghezza d'onda di 800 nm ?? di circa 380 THz. Questo significa che:

La differenza tra la lunghezza d'onda ? e la lunghezza d'onda ? ? mantenuta costante nel tempo, vale a dire, una volta che viene selezionato un valore della differenza entro l'intervallo rivendicato, il valore selezionato ? mantenuto fisso nel tempo.

Per mantenere la differenza tra le due lunghezze d'onda fissa nel tempo, sono possibili svariate soluzioni.

Per esempio, una sorgente laser che emette il segnale che viene trasformato negli impulsi deboli e la sorgente laser di oscillatore locale possono richiedere un dispositivo aggiuntivo per bloccare le emissioni laser, in un modo tale che la loro differenza di lunghezza d'onda sia fissata a un valore costante. A questo scopo, in una prima forma di realizzazione pu? essere presa una porzione del segnale da entrambe le sorgenti laser (il laser che emette gli impulsi deboli e il laser di oscillatore locale), per analizzare il segnale di interferenza tra i segnali emessi dai due laser e per bloccare la loro frequenza di battito a un valore costante. In alternativa, in una diversa forma di realizzazione, le due sorgenti laser impiegate per impulsi deboli e impulsi di oscillatore locale, potrebbero essere entrambe bloccate su un laser a pettine di frequenza. Quindi, l'emissione del primo laser (che genera gli impulsi deboli) potrebbe essere bloccata su una modalit? fissa del pettine di frequenza. L'emissione del secondo laser (laser di oscillatore locale) potrebbe essere bloccata su un?altra modalit? fissa del pettine di frequenza.

L'invenzione comprende anche la possibilit? che le due lunghezze d'onda dei due ingressi dell'accoppiatore ottico siano identiche, vale a dire Questo caso speciale pu? essere ottenuto per esempio quando gli impulsi deboli e gli impulsi di oscillatore locale appartengono alla stessa sorgente laser, vale a dire, entrambi gli ingressi all'accoppiatore ottico sono preparati suddividendo l'emissione da una singola sorgente laser. In questo caso, assumiamo la stabilit? della fase relativa tra l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale durante la loro propagazione dal trasmettitore al ricevitore. In questo caso, il ricevitore deve preferibilmente modulare la fase di uno dei due ingressi. Questa modulazione pu? essere fatta impiegando un variatore di fase. In questo caso speciale, la frequenza della modulazione di fase introdotta dal variatore di fase ? quindi relativa alla frequenza di portante del segnale di interferenza analizzato dal ricevitore. La frequenza di portante del segnale di interferenza dipende dalle caratteristiche del variatore di fase stesso. La modulazione pu? avere luogo, per esempio, utilizzando un dispositivo piezoelettrico che varia il percorso ottico di uno tra il primo o il secondo ingresso dell'accoppiatore ottico. In alternativa, pu? essere utilizzato uno spostatore di fase o un modulatore di fase. Pertanto, la differenza di fase tra l'impulso debole e l'impulso di oscillatore locale non ? pi? costante durante l'interferenza nell'accoppiatore ottico. In questo caso speciale, perci? la frequenza di portante ? la frequenza di modulazione che ? stata imposta dal variatore di fase. Nel seguito, perci?, ci? che ? applicabile alla ?frequenza di portante? si applica anche alla frequenza di modulazione.

Preferibilmente, il segnale emesso dalla sorgente laser di oscillatore locale ha la stessa polarizzazione della polarizzazione dell'impulso debole ricevuto dal ricevitore.

Preferibilmente, la distribuzione di modalit? spaziale dell'impulso debole e del segnale di oscillatore locale ? sostanzialmente la stessa. L'impulso debole e l'impulso di oscillatore locale sono gli ingressi al primo e al secondo ingresso dell'accoppiatore ottico. L'impulso debole e l'impulso di oscillatore locale entrano nel primo e nel secondo ingresso dell'accoppiatore ottico allo stesso tempo, per esempio grazie a un idoneo sincronizzatore. Un sincronizzatore idoneo pu? significare che viene utilizzata una linea di ritardo opportunamente adattata. ?Entrare nell'accoppiatore ottico allo stesso tempo? significa che il segnale quantistico (l'impulso debole) e il segnale di oscillatore locale sono sincronizzati insieme quando raggiungono l'accoppiatore ottico.

Inoltre, preferibilmente, la frequenza di portante deve soddisfare

il che significa che la frequenza di portante ha preferibilmente valori leggermente superiori a 1/T, con un limite superiore di circa 10 GHz.

Inoltre, preferibilmente, la frequenza di modulazione deve soddisfare

il che significa che la frequenza di modulazione ha preferibilmente valori leggermente superiori a 1/T, con un limite superiore di circa 10 GHz. Come detto, la frequenza di modulazione applicata dal variatore di fase ?segue? lo stesso comportamento della frequenza di portante.

L'interferenza ha luogo quindi nell'accoppiatore ottico tra l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale.

Il segnale di interferenza che risulta dall'interferenza come descritto sopra ? emesso dalla prima e seconda uscita dell'accoppiatore ottico e questo segnale ? rilevato da un primo e un secondo fotorilevatore, parte del ricevitore dell'invenzione. Nel primo e/o nel secondo fotorilevatore, i fotoni eccitano gli elettroni dalla banda di valenza alla banda conduttiva e viene generata una fotocorrente. Pertanto, come risultato del segnale di interferenza rilevato dal primo e dal secondo fotorilevatore, una prima e una seconda fotocorrente sono generate dal primo e dal secondo fotorilevatore. Preferibilmente, i due fotorilevatori sono molto simili tra loro, pi? preferibilmente sono identici.

Un circuito elettrico ? preferibilmente fornito per sottrarre la prima e la seconda fotocorrente, creando un segnale di differenza. Il risultato della differenza tra le due fotocorrenti ? un impulso di durata T (la stessa durata T del segnale di oscillatore locale e dell'impulso debole) che mostra una modulazione dovuta all'interferenza. Il processo descritto ? noto in letteratura come rilevamento a omodina o eterodina. Il rilevamento a eterodina ha luogo quando le lunghezze d'onda del segnale di oscillatore locale e gli impulsi deboli sono diversi, altrimenti ha luogo un rilevamento a omodina.

Secondo la teoria dell'ottica quantistica ( ?The Quantum Theory of Light?, 3. Ed.. Oxford University Press, 2000, M. G. A. Paris, ?Quantum State Estimation?, Springer, 2004) il segnale di <differenza ha la seguente equazione:>

Dove S(t) ? il segnale di differenza in funzione del tempo t, N(t) ? una funzione del rumore, f ? la frequenza di portante (o frequenza di modulazione), e A(t, T) rappresenta l'inviluppo del segnale con una durata uguale a T dipende solo dall'interferenza tra l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale, non dipende dal rumore ? ? il numero medio di fotoni dell'impulso debole. A(t, T) pu? essere per esempio un profilo gaussiano. N(t) ? sostanzialmente il rumore. L'equazione di cui sopra ? valida in entrambi i casi dove la lunghezza d'onda dell'impulso di oscillatore locale e? la lunghezza d'onda dell'impulso debole ? sono diverse (e in questo caso nell'equazione sopra f ? la frequenza di portante) e <dove la lunghezza d'onda dell'impulso di oscillatore locale> <e? la lunghezza d'onda dell'impulso debole > ? sono le stesse (e in questo caso nell'equazione sopra f ? la frequenza di modulazione).

La sottrazione delle due fotocorrenti fornisce il segnale di differenza. I termini DC sono eliminati completamente durante il processo di sottrazione, per via del fatto che i due bracci dell'accoppiatore ottico sono bilanciati in modo tale che ogni braccio riceva uguali potenze di segnale di impulso debole e di segnale di oscillatore locale.

Questo segnale di differenza contiene non solo il risultato dell'interferenza tra l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale, ma anche il rumore.

Il segnale di differenza viene poi preferibilmente amplificato. L'amplificazione pu? avere luogo grazie a un amplificatore a transimpedenza. Il segnale di differenza amplificato risultante viene filtrato. In alternativa, lo stadio di amplificazione precedente pu? essere incorporato nel filtro di frequenza, per esempio per mezzo di un amplificatore risonante. In ogni caso, il filtro ? tale che solo una porzione del segnale di differenza centrato attorno alla frequenza di portante

? considerata. In altre parole, viene presa una porzione del segnale di differenza nel range di frequenza f ? ?f. Cos? la porzione del segnale di differenza considerata va da f - ?f a f ?f e il resto dei segnali di differenza che hanno frequenze al di fuori di questo range viene ignorato.

Nel caso speciale dove le due lunghezze d'onda sono esattamente le stesse (ad esempio, la stessa sorgente laser viene utilizzata per generare l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale), prima che un'interferenza abbia luogo, la fase dell'impulso debole o dell'oscillatore locale viene cambiata. Inoltre, sempre in questa specifica forma di realizzazione, la frequenza di portante? ? la frequenza di modulazione di fase introdotta dal variatore di fase che deve essere incluso nel sistema. Pertanto, quando il segnale di differenza viene filtrato, il filtro ? tale che solo una porzione del segnale di differenza centrata attorno alla frequenza di modulazione f introdotta dal variatore di fase viene considerata. In altre parole, viene presa una porzione del segnale di differenza nel range di frequenza f ? ?f. Cos? la porzione del segnale di differenza considerata va da f - ?f a f ?f e il resto dei segnali di differenza che hanno frequenze al di fuori di questo range viene ignorato.

Il filtro pu? essere per esempio un filtro a radiofrequenza. ? preferibilmente un filtro passa-banda. La banda del segnale di differenza a cui ? consentito passare attraverso il filtro ? centrata sulla frequenza di portante (o la frequenza di modulazione) ed ? preferibilmente compresa tra 0,1 kHz e 10 Gigahertz, pi? preferibilmente tra 0,1 kHz e 1 GHz. Selezionare un filtro passa-banda con una larghezza di banda che definisce un range stretto intorno alla frequenza di portante consente di tagliare fuori il segnale di rumore, per esempio il rumore granulare. Il segnale di differenza filtrato risultante viene confrontato con una soglia. L'ampiezza o l'intensit? del segnale filtrato risultante viene preferibilmente confrontata con una soglia predefinita. Cos?, per esempio, viene ottenuta l'ampiezza o l'intensit? del segnale filtrato e questa ampiezza o intensit? ottenuta viene confrontata con la soglia selezionata.

Il confronto pu? essere effettuato per mezzo di un discriminatore. Cos?, se un parametro del segnale filtrato (per esempio, ampiezza o intensit?) ? al di sopra della soglia, allora viene considerato che effettivamente ci? che ? stato rilevato ? un impulso debole. Altrimenti, se il parametro del segnale ? al di sotto della soglia, allora viene considerato che ci? che ? stato rilevato ? solo rumore, vale a dire, il segnale ricevuto ? dovuto solo al rumore, come un rumore granulare.

Il ricevitore dell'invenzione ? pertanto in grado di funzionare come un ricevitore a singolo fotone, discriminando se il segnale in arrivo ? un impulso debole o un segnale di rumore. Il ricevitore utilizza componenti ?standard? che sono relativamente poco costosi. Inoltre, la dimensione del ricevitore complessivo ? relativamente piccola. Il ricevitore pu? lavorare a temperatura ambiente e non sono richiesti dispositivi di raffreddamento speciali.

Nel caso speciale di preferibilmente, il variatore di fase ? adattato per variare la fase del segnale di oscillatore locale. La fase di uno dei due segnali viene cambiata prima di raggiungere l'accoppiatore ottico. Per via del fatto che l'impulso debole ? effettivamente uno ?stato debole?, viene preferito cambiare la fase del segnale di oscillatore locale in modo che, in caso di perdite aggiuntive generate dal variatore di fase, l'impulso debole non venga distrutto.

Preferibilmente, il ricevitore comprende un amplificatore posizionato all'uscita del circuito elettronico adattato ad amplificare il segnale di differenza. L'amplificazione consente una pi? facile elaborazione del segnale amplificato. In alternativa, l'amplificatore pu? essere risonante alla frequenza di portante (o alla frequenza di modulazione), quindi pu? essere incorporato nel successivo filtro di frequenza.

Preferibilmente, il primo o il secondo fotorilevatore ? un fotorilevatore P-I-N. Pi? preferibilmente, il primo e il secondo fotorilevatore sono fotorilevatori P-I-N. Preferibilmente, il primo e il secondo fotorilevatore sono identici tra loro. Fotorilevatori identici consentono una migliore qualit? della misurazione.

Preferibilmente, la durata T ? compresa tra 100 picosecondi e 10 nanosecondi. Pi? breve ? la durata T, pi? veloce potrebbe funzionare il rilevatore. Allo stesso tempo, la durata ottimale T dipende dalla frequenza di portante (o frequenza di modulazione) definita dall?impostazione di ricevitore, siccome ? preferibile soddisfare la relazione

Preferibilmente, la lunghezza d'onda dell'impulso debole ? ? nello spettro dell?infrarosso vicino o nella banda delle telecomunicazioni. Con una banda di telecomunicazioni, si intende una lunghezza d'onda compresa nel range da 800 nm a 1625 nm. Una comunicazione in fibra ottica ? condotta principalmente nella regione di lunghezza d'onda dove fibre ottiche hanno una piccola perdita di trasmissione. Questa regione di lunghezza d'onda a bassa perdita va da 1260 nm a 1625 nm, ed ? divisa in cinque bande di lunghezza d'onda indicate come bande O, E, S, C e L, Inoltre, una comunicazione nell'atmosfera libera ? anche considerata e pertanto anche il range inferiore della lunghezza d'onda pu? essere utilizzato. Preferibilmente, viene scelta una lunghezza d'onda tra le lunghezze d?onda di telecomunicazione standard.

Preferibilmente, il range di frequenza per la frequenza di portante o la frequenza di modulazione ? compreso tra 0,1 kHz e 10 GHz. Per le applicazioni QKD, un range di frequenza tipico ? tra 1 GHz e 10 GHz. Il limite superiore dipende dai limiti tecnologici attuali. Per esempio, i fotorilevatori e i dispositivi elettronici hanno in generale una larghezza di banda limitata. La frequenza di portante non pu? essere troppo piccola, altrimenti la condizione f > 1/T non ? pi? valida. Non pu? essere troppo grande, altrimenti il fotorilevatore e l'elettronica successiva non sono in grado di rispondere correttamente.

Preferibilmente, la soglia di discriminatore ? una funzione della probabilit? di conteggio al buio del ricevitore. La soglia ? impostata in modo che, quando non c'? un impulso debole, il ricevitore rileva i segnali ?falsi? (dovuti al rumore granulare) con una data probabilit?. La probabilit? selezionata (il conteggio al buio del ricevitore) impone pertanto il valore della soglia.

L'invenzione sar? ora meglio compresa con riferimento ai disegni allegati dove:

- La figura 1 ? una vista schematica di un ricevitore secondo la presente invenzione;

- La figura 2 ? una vista schematica di un sistema per trasmettere e ricevere impulsi deboli in un sistema di distribuzione a chiave quantistica che comprende il ricevitore dell'invenzione di figura 1; - La figura 2a ? un'altra forma di realizzazione del sistema di figura 2;

- La figura 3 sono due grafici del segnale di differenza nel tempo quando un impulso debole avente ?wp = 0,45 e T ? 1 ns viene ricevuto dal ricevitore dell'invenzione della figura 1 o 2, nel caso ideale senza rumore granulare (curva spessa) e con rumore granulare (curva sottile);

- La figura 4 sono due grafici del segnale di differenza nel tempo quando un impulso debole avente ?wp = 0,45 e T ? 1 ns viene ricevuto dal ricevitore dell'invenzione di figura 1 o 2, con rumore granulare (stessa curva come in figura 3, ora come curva spessa) e quando viene ricevuto solo rumore granulare (curva sottile);

- La figura 5 ? lo spettro di potenza dei due segnali di figura 4;

- La Figura 6 ? un grafico che rappresenta un risultato di una simulazione Monte Carlo delle propriet? di un rilevatore (probabilit? di rilevamento e probabilit? di conteggio al buio) rispetto al numero medio di fotoni dell'impulso debole ricevuto;

- La figura 7 rappresenta tre grafici relativi a tre diverse simulazioni di tre diversi sistemi: per ricevere impulsi deboli in un sistema di distribuzione a chiave quantistica: un primo sistema che include il ricevitore dell'invenzione e due sistemi che includono due diversi ricevitori secondo l'arte antecedente utilizzando un protocollo senza stati decoy;

- La figura 8 rappresenta tre grafici relativi a tre diverse simulazioni di tre diversi sistemi per ricevere impulsi deboli in un sistema di distribuzione a chiave quantistica: un primo sistema che include il ricevitore dell'invenzione di figura 1 e due sistemi che includono due diversi ricevitori secondo l'arte antecedente utilizzando un protocollo con due stati decoy; le figure 9 - 11 rappresentano lo schema dei tre sistemi utilizzati nelle simulazioni delle figure 7 e 8.

Con riferimento iniziale alla figura 1, con 1 viene indicato globalmente un ricevitore di impulsi deboli in un sistema QKD.

Il ricevitore 1 include un accoppiatore ottico al 50% 2 con un primo e un secondo braccio 3,4 che definiscono un primo e un secondo ingresso 5, 6 e una prima e una seconda uscita 7, 8.

Il primo ingresso 5 del primo braccio 3 riceve da un canale quantistico 30 un impulso debole WP (come mostrato in figura 2 e 2a) di durata T, lunghezza d'onda ?wp e una data polarizzazione. Questo impulso debole pu? essere generato da qualsiasi trasmettitore (mostrato per esempio in figura 2 e 2a) in grado di generare impulsi deboli in un sistema di distribuzione a chiave quantistica con codifica a variabili discrete.

Inoltre, il ricevitore 1 include una sorgente laser 11 adatta a generare un impulso di oscillatore locale LO avente durata T, nello stesso stato di polarizzazione dell'impulso debole e avente una lunghezza d'onda Il secondo ingresso 6 del secondo braccio 4 riceve l'impulso di oscillatore locale LO.

La relazione tra le loro lunghezze d'onda ? ? tale che

In alternativa,

L'impulso di oscillatore locale LO e l'impulso debole possono generare un segnale di interferenza, avente la stessa durata T, avente lo stesso stato di polarizzazione dell'impulso di oscillatore locale e dell'impulso debole.

La figura 2 mostra una possibile forma di realizzazione del ricevitore generale 1, chiamato ricevitore 10, in un sistema di trasmissione 100 di impulsi deboli in un sistema di distribuzione a chiave quantistica con codifica a variabili discrete. Il sistema 100 include un trasmettitore 20 per generare gli impulsi deboli. Il trasmettitore 20 include una sorgente laser 18, preferibilmente una sorgente laser pulsata randomizzata in fase. Il treno di impulsi emessi dalla sorgente laser 18 ? diviso in due, per esempio da un suddivisore di fascio 19. Una parte del treno di impulsi viene quindi ulteriormente elaborata per generare gli impulsi deboli WP, per esempio con un'idonea preparazione di stato quantistico 17.

Gli impulsi deboli WP generati dal trasmettitore 20 sono inviati tramite un idoneo canale quantistico 30.

Il sistema 100 include il ricevitore dell'invenzione 10. Gli stessi elementi presenti nel ricevitore 1 sono indicati nel ricevitore 10 con gli stessi numerali di riferimento. Come nel ricevitore 1, gli impulsi deboli WP dal canale quantistico 30 entrano come ingressi nel primo braccio 5 del suddivisore di fascio. Il segnale della sorgente laser 18 suddiviso dal suddivisore di fascio 19 forma un anello bloccato 21 con i segnali di <oscillatore locale prodotti dalla sorgente laser 11. In questo modo la differenza di lunghezza d'onda >

tra la lunghezza d'onda degli impulsi emessi dal laser 18 (e quindi dell'impulso debole) e la

lunghezza d'onda degli impulsi emessi dal laser 11 rimane costante.

LO e impulso debole WP interferiscono nell'accoppiatore ottico 2 e il segnale di interferenza viene rilevato da un primo e da un secondo fotorilevatore 12 e 13. Il primo e il secondo fotorilevatore 12, 13 emettono ciascuno una fotocorrente che viene sottratta in un circuito 14 dove la differenza delle due fotocorrenti viene realizzata e amplificata.

La figura 2a mostra una diversa forma di realizzazione del ricevitore generale 1, chiamato ricevitore 10?, in un sistema di trasmissione 110 di impulsi deboli in un sistema di distribuzione a chiave quantistica con codifica a variabili discrete. Il sistema 110 include lo stesso trasmettitore 20 per generare gli impulsi deboli come descritto in riferimento alla figura 2.

Il sistema 100 include il ricevitore dell'invenzione 10. Gli stessi elementi presenti nel ricevitore 10 sono indicati nel ricevitore 10? con gli stessi numerali di riferimento. Come nel ricevitore 10, gli impulsi deboli WP dal canale quantistico 30 entrano come ingressi nel primo braccio 5 del suddivisore di fascio. Il segnale dalla sorgente laser 18 suddiviso dal suddivisore di fascio 19 passa attraverso un variatore di fase 111. In questo modo, sebbene le lunghezze d'onda di LO e WP siano in questo caso identiche, una frequenza di modulazione ? imposta dal variatore di fase 111.

Il segnale di differenza risultante, dal sistema 100 o 110, ? raffigurato nella figura 3. La figura 3 mostra il rilevamento di un'interferenza tra un impulso debole WP e un segnale di oscillatore locale LO. L'impulso debole ha i seguenti dati:

?wp = 0,45

una forma gaussiana con un FWHM uguale a 1 ns.

Il segnale di oscillatore locale LO ha una forma gaussiana con un FWHM uguale a 1 ns.

<Inoltre, la frequenza di portante f ?>

La curva nera spessa rappresenta il segnale di differenza in condizione ideale, vale a dire, il segnale di differenza nel caso in cui solo l'impulso debole sia rilevato e interferisca con il segnale di oscillatore locale. La curva grigia sottile rappresenta il segnale di differenza quando, oltre al segnale di impulso debole, ? presente anche il rumore granulare.

La figura 4 mostra un confronto tra il segnale di differenza ottenuto quando riceve lo stesso segnale di impulso debole di cui sopra con rumore granulare (linea pi? scura) e un segnale che ? solo rumore granulare (linea pi? chiara).

Il ricevitore 1, 10 o 10' comprende inoltre un filtro 15 adatto a filtrare il segnale di differenza. Il filtro ha una larghezza di banda che ? preferibilmente centrata attorno alla frequenza di portante (o frequenza di modulazione) f del segnale di differenza di interesse. Lo spettro di potenza del segnale di differenza ? per esempio raffigurato nella figura 5. La figura 5 mostra lo spettro di potenza dei segnali di differenza di figura 4. L'area ombreggiata rappresenta la larghezza di banda del filtro 15, in modo che solo quella porzione del segnale di differenza sia considerata. In altre parole, chiamando S(t) il segnale di differenza, S(t) ha un dato spettro S(t) = S(f1)+S(f2)+S(f3)+... . Di questo spettro, solo una porzione ? presa, dal filtro 15. Questa porzione include solo le componenti spettrali f_n aventi una frequenza che appartiene alla larghezza di banda del filtro.

Il ricevitore 1, 10 e 10' delle figure 1, 2 e 2a include inoltre un discriminatore 16, dove viene fatto un confronto tra il segnale filtrato emesso dal filtro 15 e una soglia. Il segnale filtrato ? integrato sull?intera larghezza di banda del filtro 15. Il valore risultante del segnale integrato viene confrontato con una soglia. Pertanto, il segnale filtrato ? considerato come rappresentante un impulso debole se il valore del segnale di differenza filtrato integrato ? al di sopra della soglia.

La risposta del ricevitore 10 ? stata analizzata utilizzando una simulazione Monte Carlo, in cui la presenza di un rumore granulare ? stata considerata aggiungendo, al profilo di interferenza previsto, un profilo casuale avente una media uguale a zero, data dalla distribuzione gaussiana che caratterizza il rumore granulare sulla misurazione del campo elettrico di una sorgente laser. I risultati di questa simulazione Monte Carlo descritta di seguito sono riportati nella figura 6, dove l'efficienza di rilevamento e le curve di conteggio al buio come funzione di ? (il numero medio di fotoni degli impulsi deboli WP) sono rappresentati.

Il profilo di interferenza previsto utilizzato per la simulazione ? uguale a:

? ? il numero di fotoni medio degli impulsi deboli.

? un inviluppo temporale con una forma gaussiana, centrato in t=0 e avente un FWHM

Questo inviluppo gaussiano ? prodotto dall'interferenza di un segnale LO e di un segnale di impulso debole, entrambi gli impulsi avendo una forma gaussiana, entrambi centrati in t=0 e avendo un FWHM

La durata dell'impulso debole = durata di LO ? data dal FWHM dell'inviluppo gaussiano, che ? chiamato ?.

Il primo addendo di questa equazione non dipende dal rumore granulare. Questo ? sostanzialmente identico alla curva spessa della figura 3.

SN(t) ? il rumore granulare. La varianza di SN(t) ? 0,25, secondo la varianza di rumore granulare del segnale a omodina normalizzato sul rumore granulare dell'oscillatore locale (si veda Loudon ?The Quantum Theory of Light?, Oxford Science Publications).

Nella simulazione, sono stati selezionati i seguenti parametri:

La forma gaussiana esibita da entrambi gli impulsi LO e debole, e quindi dal loro inviluppo di interferenza, ha una ? (FWHM) uguale a 1 ns;

Per analizzare lo spettro di potenza dei segnali di interferenza, viene osservata una finestra di tempo di 4 ns di durata, centrata intorno a t=0 (da -2 ns a 2 ns).

S(t) ? dato in unit? arbitrarie (a.u. in FIG.3) perch? c'? un fattore costante moltiplicativo di nessun interesse essendo lo stesso anche per il rumore granulare;

frequenza di portante f = 2/? = 2 GHz;

larghezza di banda di filtro ?f= 3/? = 3GHz;

sono stati selezionati i seguenti valori di ?wp: 0,011, 0,057, 0,11, 0,23, 0,34, 0,45, 0,57, 0,85, 1,1.

Il rumore granulare ? stato considerato come una variabile casuale centrata intorno allo zero e avente una varianza uguale a 0,25. Ad ogni istante di tempo t, viene preso un valore da questa distribuzione casuale e questo viene considerato come SN(t).

La pi? bassa probabilit? di conteggio al buio misurabile in questa simulazione ? 10-8.

In particolare, per ogni valore fissato per il numero medio di fotoni dell'impulso debole al ricevitore 1 (?wp che varia tra 0,011 e 11) sono stati generati 107 diversi profili risultanti dalla somma del profilo di interferenza e del rumore casuale dovuto al rumore granulare. Ogni singolo profilo contiene 401 campioni, dove la variabile indipendente assume 401 valori da -2? a 2?. Un inviluppo gaussiano, centrato intorno a t=0, ? stato scelto per il profilo di interferenza, con una larghezza completa a met? altezza ?, come ? stato scelto per il profilo temporale sia di LO che di impulso debole. La frequenza di portante del segnale di interferenza ? f = 2 / ?. Infine, sono stati generati ulteriori 108 profili casuali contenenti solo il rumore granulare SN(t), vale a dire, solo il secondo addendo di per simulare la circostanza in cui nessun segnale arriva all'ingresso del rilevatore. Quindi, lo spettro di potenza corrispondente ? stato ottenuto da ogni profilo di tempo. Nella simulazione, la finestra di osservazione per il calcolo di spettro ? 4 * ?, da -2? a 2?. Lo spettro di potenza viene quindi filtrato intorno al picco della portante e il segnale risultante viene integrato intorno alle frequenze di filtro (circa 3 / ? di larghezza). Se il valore dell'integrale ? superiore a una certa soglia, il dispositivo comunica la ricezione del segnale quantistico. Altrimenti, l'evento non costituisce un rilevamento. Una volta che ? impostata la soglia, la probabilit? con cui un segnale incidente genera un rilevamento costituisce la probabilit? di rilevamento del dispositivo (indicata anche come efficienza di rilevamento), mentre la probabilit? con cui l'assenza di un segnale incidente (vale a dire, solo SN(t) presente) genera un rilevamento determina la probabilit? di conteggio al buio del dispositivo.

Dalla simulazione ? emerso che la soglia ottimale che massimizza il rapporto segnale/rumore (il rapporto tra efficienza e probabilit? di conteggio al buio) ? costante per l'intero intervallo di ?wp uguale a [0,057, 1,1]. Di conseguenza, la probabilit? di conteggio al buio stimata ? costante in tutto questo intervallo e uguale al conteggio al buio minimo quantificabile dalla simulazione (che ? uguale a 1 * 10-8). Per il punto rimanente con ?wp = 0,011, la soglia ottimale scende e la probabilit? di conteggio al buio sale a 3 * 10-8. In questo caso, l'efficienza stimata corrispondente ? 4 * 10-7 e il rapporto segnale-rumore ? circa 13. Questo rapporto tra efficienza e conteggi al buio corrisponde a un contributo al tasso di errore di bit quantistico di circa il 44%, che ? troppo alto per rendere possibile una comunicazione quantistica. Pertanto, secondo questa simulazione, il ricevitore 1 dell'invenzione pu? essere utilizzato per rilevare impulsi deboli aventi un numero di fotoni gi? fino a circa ?wp ? 0,057, e a quel punto il contributo al tasso di errore di bit quantistico causato dai conteggi al buio ? inferiore al 1%.

Le figure 7 e 8 mostrano la simulazione di un protocollo di distribuzione a chiave quantistica standard (BB84-QKD), per il quale il tasso di generazione di bit (tasso di chiave segreta), al variare delle perdite di canale di trasmissione, ? stato calcolato per tre diversi ricevitori. Nel protocollo standard BB84-QKD, il trasmettitore e il ricevitore, rispettivamente, prepara e misura i qubit selezionando a caso tra due basi di stati quantistici. In questa simulazione, come nel protocollo originale BB84, la probabilit? di scelta di base ? impostata al 50% sia al trasmettitore che al ricevitore.

Qui, la simulazione ? relativa a tre diversi sistemi per trasmettere e ricevere impulsi deboli nel sistema QKD, ognuno includendo un ricevitore e un trasmettitore 20. Il trasmettitore 20 ? lo stesso per tutti e tre i sistemi. Il sistema della figura 11 ? il sistema 100 che include il ricevitore della presente invenzione. La figura 11 mostra il sistema 100 che include il ricevitore 10 gi? descritto nella figura 2. Il sistema 200 in figura 9 ? in accordo con l'arte precedente e utilizza un ricevitore 50 che comprende un fotorilevatore SNSPD 51. Il sistema 300 in figura 10 ? in accordo con l'arte precedente e utilizza un ricevitore 60 che comprende un fotorilevatore SPAD 51, basato su semiconduttore InGaAs.

I dati dei tre rilevatori sono i seguenti:

InGaAs SPAD

Efficienza di rilevamento: 0,2

Probabilit? di conteggio al buio: 2*10-7

Tasso di clic massimo: 50 KHz

SNSPD

Efficienza di rilevamento: 0,85

Probabilit? di conteggio al buio: 3*10-7

Tasso di clic massimo: 50 MHz

Ricevitore dell'invenzione

Efficienza di rilevamento: dipende da

Probabilit? di conteggio al buio: 10-8

Tasso di clic massimo: 1 GHz

Il trasmettitore 20, lo stesso in tutti e tre i casi, prepara 109 stati quantistici (impulsi deboli) al secondo, attenuando e modulando in modo idoneo una sorgente laser di 1550 nm. Il diverso tasso di bit risultante nei tre ricevitori 10, 50 e 60 ? dovuto alle diverse caratteristiche di un'efficienza di rilevamento e dei conteggi al buio, cos? come al tasso di conteggio massimo ed a qualsiasi segnale post pulsazione.

Nel ricevitore rilevatore dell'invenzione, l'efficienza dipende dal numero medio di fotoni per impulso

che colpisce il ricevitore, secondo la relazione mostrata nella Figura 6. Si noti che, per via delle perdite del canale di trasmissione, gli impulsi deboli incidenti sul ricevitore hanno un numero medio di fotoni inferiore rispetto allo stesso impulso preparato dal trasmettitore 20.

Nella figura 7, il numero medio di fotoni per impulso ? un valore impostato dal trasmettitore, e questo valore ? stato ottimizzato per ogni valore di perdita di canale e per ogni ricevitore 10, 50, 60, al fine di massimizzare il tasso di chiave segreta ottenibile per la situazione data. In generale, infatti, in un protocollo di comunicazione quantistica, il valore ottimale del numero medio di fotoni per impulso ? il risultato di un compromesso tra la capacit? di misurare l'impulso in corrispondenza del ricevitore con un basso tasso di errore di bit e il requisito di limitare il numero di impulsi aventi pi? di un fotone. Per questi ultimi, una sicurezza di comunicazione non ? garantita. Nella figura 7, il protocollo utilizzato non include gli stati decoy. Nella figura 8, viene attuata la stessa simulazione della figura 7, ma in questo caso il protocollo di comunicazione quantistica include due stati decoy, che consentono che siano raggiunte distanze di trasmissione pi? lunghe. In questo protocollo, il trasmettitore 20 prepara ogni impulso scegliendo casualmente un diverso numero medio di fotoni, tra tre diversi valori discreti. Per tutti e tre i rilevatori, uno di questi tre valori ? stato preso uguale a zero (stati decoy vuoto e debole [). Per tutti e tre i rilevatori, la probabilit? di scegliere il valore pi? grande ? stata impostata al 65%, la probabilit? di scegliere il decoy debole ? stata impostata al 30% e, di conseguenza, la probabilit? di scegliere il decoy vuoto ? stata impostata al 5%, in accordo con il riferimento https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.72.012326.

Solo per il rilevatore relativo alla presente invenzione, il numero medio di fotoni del pi? grande e del decoy debole, preparato in corrispondenza del trasmettitore, per ogni perdita di canale, sono stati selezionati per massimizzare il tasso di chiave segreta, con il vincolo che il numero medio di fotoni che arriva al ricevitore soddisfi la relazione ? > 0.057. In questo modo, il rilevatore applica una soglia fissa, in accordo con la simulazione di cui sopra.

Per gli altri due rilevatori, il valore del decoy debole preparato in corrispondenza del trasmettitore ? stato fissato a 0,01, mentre il valore del ? pi? grande ? stato ottimizzato al fine di massimizzare il tasso di chiave segreta ad ogni perdita di canale.

Per calcolare il tasso di chiave segreta (SKR), sono stati utilizzati i seguenti riferimenti: https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.81.1301

che dettagliano come calcolare lo SKR senza stato decoy (fig.7); e

https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.72.012326

che dettagliano come calcolare lo SKR con due stati decoy, decoy vuoto e debole (fig.8).

Il tasso di chiave segreta in QKD ? semplicemente il tasso di bit con cui la chiave sicura ? distribuita dal trasmettitore al ricevitore. La chiave sicura ? estratta a partire da un certo tasso del trasmettitore, che ? il tasso al quale il trasmettitore prepara i qubit (nella simulazione, questo tasso ? fissato a 1GHz). Le formule per estrarre questo SKR a partire dal tasso del trasmettitore dipendono, tra le altre cose, anche dal tipo di rilevatore del ricevitore, e sono completamente spiegate nei due riferimenti.

Claims

Rivendicazioni 1. Ricevitore per ricevere impulsi deboli di luce in un sistema di distribuzione a chiave quantistica con codifica a variabili discrete, il ricevitore comprendendo: o Un accoppiatore ottico al 50% avente un primo e un secondo ingresso e una prima e una seconda uscita, l'accoppiatore ottico essendo adattato per essere connesso ad un canale quantistico per ricevere gli impulsi deboli al primo ingresso, ogni impulso debole avendo una durata T e una lunghezza d'onda e segnali di oscillatore locale al secondo ingresso; o Un laser di oscillatore locale adattato per generare i segnali di oscillatore locale, ogni segnale di oscillatore locale essendo un impulso di durata T e lunghezza d'onda in cui la differenza tra ? ? tale che:

o Un sistema di bloccaggio laser per bloccare la differenza tra le lunghezze d?onda

a un valore fisso, in modo che la differenza rimanga costante nel tempo; o Un sincronizzatore connesso al laser di oscillatore locale in modo che il laser di oscillatore locale emetta un segnale di oscillatore locale in un dato tempo per il quale l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale raggiungono il primo e il secondo ingresso, rispettivamente, allo stesso tempo; o Un primo e un secondo fotorilevatore, il primo e il secondo fotorilevatore essendo connessi alla prima e alla seconda uscita, rispettivamente, dell'accoppiatore ottico ed emettendo un primo e un secondo segnale elettrico, il primo e il secondo segnale elettrico essendo funzione dell'interferenza tra l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale nell'accoppiatore ottico; o Un circuito elettronico configurato per ottenere un segnale di differenza, il segnale di differenza essendo funzione della differenza tra il primo segnale elettrico emesso dal primo fotorilevatore e il secondo segnale elettrico emesso dal secondo fotorilevatore; o Un filtro adattato per filtrare il segnale di differenza, generando un segnale filtrato che include una porzione del segnale di differenza avente una frequenza in un range di frequenza intorno a una frequenza di portante f, dove

o Un discriminatore, il discriminatore essendo configurato per determinare se il segnale filtrato ha una funzione di valore dell'ampiezza superiore a una soglia fissa.
2. Ricevitore per ricevere impulsi deboli in un sistema di distribuzione a chiave quantistica con codifica a variabili discrete, il ricevitore comprendendo: o Un accoppiatore ottico al 50% avente un primo e un secondo ingresso e una prima e una seconda uscita, l'accoppiatore ottico essendo adattato per essere connesso ad un canale quantistico per ricevere gli impulsi deboli al primo ingresso, ogni impulso debole avendo una durata T e una lunghezza d'onda e segnali di oscillatore locale al secondo ingresso; o Un laser di oscillatore locale adattato per generare i segnali di oscillatore locale, ogni segnale di oscillatore locale essendo un impulso di durata T e lunghezza d'onda ? identica a

o Un variatore di fase, il variatore di fase essendo adattato per modulare, con una frequenza di modulazione, la fase dell'impulso debole o del segnale di oscillatore locale prima che interferiscano nell'accoppiatore ottico; o Un sincronizzatore connesso al laser di oscillatore locale in modo che il laser di oscillatore locale emetta un segnale di oscillatore locale in un dato tempo per il quale l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale raggiungono il primo e il secondo ingresso, rispettivamente, allo stesso tempo; o Un primo e un secondo fotorilevatore, il primo e il secondo fotorilevatore essendo connessi alla prima e alla seconda uscita, rispettivamente, dell'accoppiatore ottico ed emettendo un primo e un secondo segnale elettrico, il primo e il secondo segnale elettrico essendo funzione dell'interferenza tra l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale nell'accoppiatore ottico; o Un circuito elettronico configurato per ottenere un segnale di differenza, il segnale di differenza essendo funzione della differenza tra il primo segnale elettrico emesso dal primo fotorilevatore e il secondo segnale elettrico emesso dal secondo fotorilevatore; o Un filtro adattato per filtrare il segnale di differenza, generando un segnale filtrato che include una porzione del segnale di differenza avente una frequenza in un range di frequenza intorno alla frequenza di modulazione che ? stata precedentemente applicata dal variatore di fase; o Un discriminatore, il discriminatore essendo configurato per determinare se il segnale filtrato ha una funzione di valore dell'ampiezza superiore a una soglia fissa.
3. Ricevitore secondo la rivendicazione 2, in cui il variatore di fase ? adattato per variare la fase del segnale di oscillatore locale.
4. Ricevitore secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, comprendente un amplificatore posizionato all'uscita del circuito elettronico adattato per amplificare il segnale di differenza.
5. Ricevitore secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo e il secondo fotorilevatore sono fotorilevatori P-I-N.
6. Ricevitore secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, in cui il filtro comprende un filtro passa-banda.
7. Metodo per rilevare la presenza o l'assenza di impulsi deboli in un sistema di distribuzione a chiave quantistica con codifica a variabili discrete, il metodo che comprende: o Ricevere un segnale quantistico da un canale quantistico avente una durata T e lunghezza d'onda

o Generare un segnale di oscillatore locale avente durata T e lunghezza d'onda in cui la differenza tra ? ? tale che:

o Mantenere la differenza tra ? costante nel tempo; o Immettere ad un primo e secondo ingresso di un accoppiatore ottico al 50% allo stesso tempo l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale; o Creare un segnale di interferenza tra l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale utilizzando l'accoppiatore ottico al 50%; o Rilevare il segnale di interferenza ad una prima e ad una seconda uscita dell'accoppiatore ottico; o Emettere un primo e un secondo segnale elettrico in funzione del segnale di interferenza rilevato; o Sottrarre il primo e il secondo segnale elettrico ottenendo un segnale di differenza; o Filtrare il segnale di differenza generando un segnale filtrato che include una porzione del segnale di differenza avente una frequenza in un range di frequenza intorno a una frequenza di portante o

o Confrontare il segnale di differenza con una soglia; o Determinare che un impulso debole ? stato ricevuto se un parametro del segnale di differenza ? al di sopra della soglia.
8. Metodo per rilevare la presenza o l'assenza di impulsi deboli in un sistema di distribuzione a chiave quantistica con codifica a variabili discrete, il metodo che comprende: o Ricevere un impulso debole da un canale quantistico avente una durata T e una lunghezza d'onda

<o Generare un segnale di oscillatore locale avente durata T e lunghezza d'onda> <dentica a >

o Immettere ad un primo e secondo ingresso di un accoppiatore ottico al 50% allo stesso tempo l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale; o Creare un segnale di interferenza tra l'impulso debole e il segnale di oscillatore locale utilizzando l'accoppiatore ottico al 50%; o modulare la fase dell'impulso debole o del segnale di oscillatore locale prima di un?interferenza nell'accoppiatore ottico, comportando una frequenza di modulazione della fase; o Rilevare il segnale di interferenza ad una prima e ad una seconda uscita dell'accoppiatore ottico; o Emettere un primo e un secondo segnale elettrico in funzione del segnale di interferenza rilevato; o Sottrarre il primo e il secondo segnale elettrico ottenendo un segnale di differenza; o Filtrare il segnale di differenza generando un segnale filtrato che include una porzione del segnale di differenza avente una frequenza in un range di frequenza intorno alla frequenza di modulazione; o Confrontare il segnale di differenza con una soglia; o Determinare che un impulso debole ? stato ricevuto se un parametro del segnale di differenza ? al di sopra della soglia. o Un discriminatore, il discriminatore essendo configurato per determinare se il segnale filtrato ha una funzione di valore dell'ampiezza superiore a una soglia fissa.
9. Metodo secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui la durata T ? compresa tra 100 picosecondi e 10 nanosecondi.
10. Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni 7 - 9, in cui la frequenza di portante o la frequenza di modulazione ? pi? grande di 1/T.
11. Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni 7 - 10, in cui la lunghezza d'onda dell'impulso debole ? ? compresa tra 800 nm e 1625 nm.
12. Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni 7 - 12, in cui il range di frequenza ? compreso tra 0,1 KHz e 10 GHz.
13. Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni 7 - 12, in cui la frequenza di portante o la frequenza di modulazione f ? compresa tra 1 GHz e 10 GHz.