Quantum Communication (QC) is referred as all those protocols that deal with the faithful transportation of quantum states. The huge technological progress in the manipulation of the single quantum particles has led to the experimental tests of some of the most intriguing features of Quantum Mechanics (QM). The gedankenexperiments that were formulated by the fathers of QM in the last century, have become real. In the words of Schrödinger: “... we never experiment with just one electron or atom or (small) molecule.” This is no longer true. We can do experiments involving single atoms or molecules and even single photons, and thus it becomes possible to demonstrate that the “ridiculous consequences” alluded to by Schrödinger are, in fact, quite real. The possibility of preparing, manipulating and detecting single photons has paved the way for the field of QC . Many interesting applications related to the security of communication start taking shape, of which the most promising is the Quantum Key Distribution ( QKD ). The crucial step towards the establishment of these quantum technologies is the extension of the communication channel up to the possibility of connecting any two points around the Earth. To this aim, two main strategies are being pursued: the development of quantum repeaters in order to interconnect several fiber-based channels, each of which have limited extension due to the inherent losses of the fiber, and the progress of satellite-to-ground and satellite-to-satellite links that take advantage of the lower losses of the free-space channel. This thesis collects my research under the supervision of Prof. Giuseppe Vallone and Prof. Paolo Villoresi on a set of topics in the quantum communication science, the main objective being the extension of the satellite-to-ground channel towards MEO and its applications on the fundamental tests of QM . Particular attention have also been dedicated to the applications of weak measurements.

Il termine Comunicazione Quantistica si riferisce a tutti quei protocolli basati sulla trasmissione fedele di stati quantistici. L’enorme progresso tecnologico nella manipolazione delle singole particelle quantistiche ha portato alla realizzazione di test sperimentali su alcune delle più stravaganti predizioni della Meccanica Quantistica. I cosiddetti esperimenti mentali (gedankenexperiments) che sono stati formulati dai padri della Meccanica Quantistica nel secolo scorso, sono ora diventati realtà. Riportando le parole di Schrödinger: “... non sperimentiamo mai solo un elettrone o atomo o (piccola) molecola". Ciò non corrisponde più alla realtà dei fatti. Possiamo realizzare esperimenti che coinvolgono singoli atomi o molecole, e persino singoli fotoni; diventa quindi possibile dimostrare che le "conseguenze ridicole" a cui alludeva Schrödinger sono, in effetti, vere. La possibilità di preparare, manipolare e rilevare singoli fotoni ha aperto la strada al campo della comunicatione quantistica. Molte applicazioni interessanti legate alla sicurezza delle comunicazioni iniziano a prendere forma, fra cui la più promettente è la distribuzione di chiave quantistica. Il passaggio cruciale verso l’utilizzo di queste tecnologie quantistiche è l’estensione del canale quantistico in modo tale da poter mettere in comunicazione, in linea di principio, due punti qualsiasi sulla superficie terrestre. A tal fine, vengono perseguite principalmente due strategie: lo sviluppo di ripetitori quantistici per connettere diversi tratti realizzati in fibra ottica, i quali hanno un’estensione limitata a causa delle perdite intrinseche della fibra, e lo sviluppo di canali quantistici intersatellitari e satellite-terra che sfruttano le minori perdite della trasmissione in aria/vuoto. Questa tesi raccoglie i risultati del mio progetto di dottorato sotto la supervisione del Prof. Giuseppe Vallone e del Prof. Paolo Villoresi, relativi alla scienza della comunicazione quantistica. L’obiettivo principale del progetto è quello di estendere la comunicazione quantistica satellitare fino alle orbite MEO come base per la realizzazione di test fondamentali sulla Meccanica Quantistica. Particolare attenzione è stata dedicata anche alle applicazioni delle misure quantistiche deboli.

Experimental Quantum Communication with GNSS satellites / Calderaro, Luca. - (2018 Nov 27).

Experimental Quantum Communication with GNSS satellites

Calderaro, Luca
2018

Abstract

Il termine Comunicazione Quantistica si riferisce a tutti quei protocolli basati sulla trasmissione fedele di stati quantistici. L’enorme progresso tecnologico nella manipolazione delle singole particelle quantistiche ha portato alla realizzazione di test sperimentali su alcune delle più stravaganti predizioni della Meccanica Quantistica. I cosiddetti esperimenti mentali (gedankenexperiments) che sono stati formulati dai padri della Meccanica Quantistica nel secolo scorso, sono ora diventati realtà. Riportando le parole di Schrödinger: “... non sperimentiamo mai solo un elettrone o atomo o (piccola) molecola". Ciò non corrisponde più alla realtà dei fatti. Possiamo realizzare esperimenti che coinvolgono singoli atomi o molecole, e persino singoli fotoni; diventa quindi possibile dimostrare che le "conseguenze ridicole" a cui alludeva Schrödinger sono, in effetti, vere. La possibilità di preparare, manipolare e rilevare singoli fotoni ha aperto la strada al campo della comunicatione quantistica. Molte applicazioni interessanti legate alla sicurezza delle comunicazioni iniziano a prendere forma, fra cui la più promettente è la distribuzione di chiave quantistica. Il passaggio cruciale verso l’utilizzo di queste tecnologie quantistiche è l’estensione del canale quantistico in modo tale da poter mettere in comunicazione, in linea di principio, due punti qualsiasi sulla superficie terrestre. A tal fine, vengono perseguite principalmente due strategie: lo sviluppo di ripetitori quantistici per connettere diversi tratti realizzati in fibra ottica, i quali hanno un’estensione limitata a causa delle perdite intrinseche della fibra, e lo sviluppo di canali quantistici intersatellitari e satellite-terra che sfruttano le minori perdite della trasmissione in aria/vuoto. Questa tesi raccoglie i risultati del mio progetto di dottorato sotto la supervisione del Prof. Giuseppe Vallone e del Prof. Paolo Villoresi, relativi alla scienza della comunicazione quantistica. L’obiettivo principale del progetto è quello di estendere la comunicazione quantistica satellitare fino alle orbite MEO come base per la realizzazione di test fondamentali sulla Meccanica Quantistica. Particolare attenzione è stata dedicata anche alle applicazioni delle misure quantistiche deboli.
27-nov-2018
Quantum Communication (QC) is referred as all those protocols that deal with the faithful transportation of quantum states. The huge technological progress in the manipulation of the single quantum particles has led to the experimental tests of some of the most intriguing features of Quantum Mechanics (QM). The gedankenexperiments that were formulated by the fathers of QM in the last century, have become real. In the words of Schrödinger: “... we never experiment with just one electron or atom or (small) molecule.” This is no longer true. We can do experiments involving single atoms or molecules and even single photons, and thus it becomes possible to demonstrate that the “ridiculous consequences” alluded to by Schrödinger are, in fact, quite real. The possibility of preparing, manipulating and detecting single photons has paved the way for the field of QC . Many interesting applications related to the security of communication start taking shape, of which the most promising is the Quantum Key Distribution ( QKD ). The crucial step towards the establishment of these quantum technologies is the extension of the communication channel up to the possibility of connecting any two points around the Earth. To this aim, two main strategies are being pursued: the development of quantum repeaters in order to interconnect several fiber-based channels, each of which have limited extension due to the inherent losses of the fiber, and the progress of satellite-to-ground and satellite-to-satellite links that take advantage of the lower losses of the free-space channel. This thesis collects my research under the supervision of Prof. Giuseppe Vallone and Prof. Paolo Villoresi on a set of topics in the quantum communication science, the main objective being the extension of the satellite-to-ground channel towards MEO and its applications on the fundamental tests of QM . Particular attention have also been dedicated to the applications of weak measurements.
Quantum Communication satellites
Experimental Quantum Communication with GNSS satellites / Calderaro, Luca. - (2018 Nov 27).
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