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Gerlin, Francesca (2014) Beam Propagation in Quantum Communication. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The aim of my thesis is to demonstrate the feasibility of Quantum Communication in free space and space, pointing out how ESA Galileo constellation could be strengthens into an Optical Quantum Communication Network (OQCN), by the employment of a compact and low cost prototype (SaNe-QKD OPT). Considering table 2 according the guidelines of [70] (2012) for the European Quantum Information Processing and Quantum Communication, three crucial long term goals are fulfilled, (Satellite Quantum Communication, besides 1000 kilometers of spatial Quantum Cryptography, multi-node Quantum Network), with reference to Galileo constellation: the new devised OQCN will perform Quantum Communication between approaching satellites of the constellation in multi-node mode, and Quantum Key Distribution scheme will be employed over large distances, definitely above 1000 kilometers.
My thesis summarizes three years of researches at the Luxor Laboratories in Padova. It is dedicated to two core topics, which are twofold aspects of the same issue: beam propagation in Quantum Communication over ground and over space, with the final realization of a Quantum Communication Network in which concretized the acquired knowledges in Quantum field. And Inter-island Canary links have been chosen as representing a worse case scenario for Quantum Communication experiments, an ideal test bed to investigate beam propagation in view of the space applications, where crucial aspects are the huge distances that Communication beams have to cover.
The thesis is divided in two complementary parts:
Ground beam propagation

Beam propagation in free space along horizontal links in Canary Islands, performing long distances (143 kilometers) and aiming to exploit beam propagation through a turbulent medium. The results pointed out optical configurations and specifics in order to obtain an effective and stable communication link.
These researches are within of the strategic project Quantum Future of the University of Padova, "the shift in the Quantum paradigm"
Space beam propagation.
The second part is dedicated to space beam propagation, regarding design and arrangement of the Quantum prototype SaNe-QKD to fuse with the Optical Communication prototype OPT (by Thales Alenia Space). The resulting system, SaNe-QKD OPT, will be positioned on board of Galileo satellites for performing Quantum Optical Inter-satellite links.
Simulations about inter-satellite links, network topology features and key length evaluation, have allowed to obtain results and specifications about operative wavelengths and telescope apertures to use for inter-satellite communications. Then, the prototype SaNe-QKD have been arranged and is here shown in each part.
This researches are part of the project "Application of Optical Quantum Communication Links for GNSS" by the European space Agency (ESA).
My thesis is divided in four chapters, as follows
Ground beam propagation Chapter 1 introduces an overview of main concepts of photonics, atmospheric models and turbulence parameters, optics and fiber-optics and telescopes, used throughout the treatment. The Newtonian telescope is investigated in order to analyze the optical path arriving at the prototype SaNe-QKD for space purpose and the Canary Telescope in order to realize an optical system implementing the centroid spot following system. Zemax simulations are presented for both to check aberrations and for collimation issues. For Newtonian off-axis field, coma and field curvature are revealed. For Canary Telescope chromatic aberration is revealed and the arrangement scheme of the experiment of beam propagation in free space in Canary Islands with co-propagating beams control is described. Kolmogorov atmospheric turbulence models with Hughnagel Valley model is then briefly reported too. It will be used in Canary experiments over 143 kilometers and in chapter 3 for up/downlink quantum communication simulations between a ground base transceiver and a satellite.
Chapter 2. It is known that an unconfined optical mode propagating in a turbulent medium suffers of distortions. In Quantum Communication the information is encoded and transmitted as a train of single photons with mean average of about one photon for pulse; it follows that the link losses of a beam propagating in atmosphere increase with the distance; in contrast they cannot be reduced by increasing the signal power as in optical communication. Consequently, it is crucial to exploit beam propagation over long ranges, in order to analyze photon statistics, the transformations on the beam due to the ground in order to prevent the unleashing of the beam between transmitter and receiver. The turbulence introduces two contributes according the eddies size [51] [52]respect to the optical beam:
• Beam wandering, which occurs when a laser beam is refracted by eddies with size larger than the beam diameter, causing a displacement of the beam center (centroid).
• Beam spreading, which is due to the laser beam being refracted by eddies smaller than the beam diameter. The short-term beam spread is an additional spread with respect to the standard spread due to the free space laser beam propagation (without turbulence effects).
These effects appears in relation to the exposition time: on short time scales the beam wandering is the dominant effect, while on long time scales the beam spread-ing is the dominant effect. Using turbulence as a resource, the research of beam propagation in free-space communication links opens to test a new equipment, the custom Canary telescope (Chapter1). The team performed two free-space propagation links with the telescope: the former, a ‘short’ local range (about 20 km) test link between Asiago and Monte Grappa (Italy) in order to examine the Canary Tele-scope and check the communication equipment at the transmitting part; the latter, a ‘long’ range (143 km long) link between La Palma and Tenerife (Canary Islands) for free-space propagation experiments with severe turbulence conditions. Developments and data analysis are presented, pointing out methodologies for turbulence characterization in Ground Quantum Optical Links.
The results of the propagation of single, double beams along 143 kilometers have demonstrated that it is possible to optimize an optical system in order to reconstruct the beam long-term diameter and by techniques of beam co-propagating technique, the loss link could be reduced. This is promising as link losses are crucial aspect in Quantum Communication, when in a noisy channel the quantum signal (the in-formation encoded in single photons) cannot be improved by increasing the signal power.
Besides we observed that the statistic of arrival of single photons over a free-space 143 km optical link confirms that there is a transformation from Poissonian to log-normal distribution: There is still the evidence of consecutive subintervals of low losses allowing us to envisage the exploitation of turbulence as an SNR improvement technique.
Space beam propagation Chapter 3 according the requests of the ESA project, a feasibility study for Quantum Communication applications to Galileo constellation is shown. The chapter starts with an overview of the merits of Optical Communication (data rate exchanging, lightness, compactness, low power consumption..) Pointing out that the intrinsically secure is the added value that only the Quantum counterpart could supply. A brief part recalling orbital motion in space in order to check satellite orbital motion. Then we open to up/downlink simulations overview: recalling the simulations in literature of ground to space or space to ground beam propagation through the atmosphere, the feasibility study shows that unfortunately Galileo constellation can realize only inter-satellite communication links, as the atmosphere and the altitude of the satellite constellation prevents any effective and real single photon transmission with the current technologies. However, simulation results of inter-satellite beam propagation show us that the huge distances can be overwhelmed (derived requirements are telescope diameters >20 cm and operating wavelength <532nm), and time interval within perform Quantum Communication can be calculated: respect to a reference satellite of different orbital plane, the time interval in which the intra-satellite distances are within 15000 kilometers are
• For satellite called three of about 176 minutes
• For satellite called two of about 168 minutes
Then exploiting the relative motion of satellites lying in different orbital planes, we show that it is possible to target communication between satellites that are closer in turns, and to achieve appreciable transmission rates: the distance intervals in which we calculated the raw key rate values are 6000, 10000 and 19000 kilometers, and the best values in raw key rates (18M bits/s at 6600 kilometers, related to lower attenuation values) are obtained for a telescope diameter of 50 cm and wavelength of 50nm, while the worse values in raw key rates (2.2 Kbits/s at 6600 kilometers, related to higher attenuation values) are for a telescope diameter of 20 cm and wavelength of 800nm.
Finally, today information-based society security is of paramount importance: Galileo Optical Quantum Network will guarantee intrinsically secure key exchanging, free of PSN attack, within a satellite distance signed by decoy scheme approach. After a brief review of a model for a Quantum Communication System, simulations about key rate are shown in the final section, showing that for same wavelengths and within same beam propagation distances, larger apertures present higher values of key rate[bit/s]. At the same time we have observed that shorter operating wave- lengths presents higher values of key rate, assuring that in merit to Galileo OQCN decoy schemes could be applied in order to beat PNS attack over well defined communication links in relation to the link distance covered, the operative wavelength and the telescope aperture.
Chapter 4 We present a summary about the results of a feasibility study with reference to the architecture of Optical Quantum Communication links to a global navigation satellite system (GNSS) Galileo: for an inter-satellite Quantum Key Distribution (QKD) network we have derived in the past chapter some specifications about the wavelength selection, by an analysis of the beam propagation outside the atmosphere for telescope radius and wavelength, showing that by decreasing the wavelength and increasing the telescope radius, the beam size at the receiver is reduced, and so is the attenuation, while the SNR increases. Given the GNSS motion, we have presented still some MATLAB simulations evaluating the time intervals in which two spacecraft reach the minimal intra-satellite distances, in order to investigate the feasibility of the OQL system and evaluate its expected performance in terms of achievable key lengths.
In this chapter the expected final secret key rate are derived (by taking into account raw key rate, the average number of photons per qubit at the transmitter output, the QKD efficiency, the free-space link attenuation, the attenuation due to devices at the receiver side, the QBER) and the number of required sifted key vs QBER that must be available to Alice and Bob, after the transmission on the quantum layer and the sifting phase, are evaluated too, in order for them to be able to extract a secret key of the desired key length. (Assumed attenuation between -40 dB and -45 dB for the quantum channel.)
Then the quantum prototype SaNe-QKD is described in each part, the Quantum Key Distribution protocol used B92, the transmitter and receiver opto-mechanical arrangements with the dedicated interfaces to interface the Quantum module with the Optical one built by Thales Alenia Space.
Finally the Proof of Concept Demonstration tests for the quantum part described

Abstract (italiano)

Parole chiave: Comunicazione Quantistica (QC), propagazione di fasci ottici nello spazio e nello spazio libero, rete di comunicazione ottica quantistica (OQCN), Distribuzione di chiavi quantistiche (QKD), costellazione satellitare Galileo, turbolenza atmosferica, studi di fattibilita’ prototipo quantistico SaNe-QKD

Il fine della mia tesi e’ di dimostrare la fattibilita’ della comunicazione quantistica nello spazio libero e nello spazio, evidenziando come la costellazione Galileo di ESA potrebbe essere potenziata in una rete di comunicazione ottica quantistica (OQCN) dall’impiego del prototipo compatto e a basso costo SaNe-QKD.
Considerando la tabella 2 secondo le linee guida di [70] (2012) per l’ analisi dell’Informazione Quantistica r della Crittografia Quantistica Europea, tre obbiettivi a lungo termine e cruciali sono realizzati. (Comunicazione Quantistica satellitare, oltre 1000 chilometri di crittografia quantistica spaziale, rete quantistica multi-nodo), con riferimento alla costellazione Galileo: il nuovo OQCN sara’ in grado di realizzare comunicazione quantistica fra satelliti della stessa costellazione in avvicinamento in modalita’ di multi-nodo, e uno schema di Distribuzione di Chiave Quantistiche Quantum Key Distribution sara’ realizzato definitivamente su distanze superiori ai 1000 chilometri.
La mia tesi riassume tre anni di ricerca presso i Laboratori Luxor di Padova.
E’ dedicata a due argomenti centrali, che sono due aspetti duplici di uno stesso argomento: la Comunicazione Quantistica sia a terra che nello spazio, con la finale realizzazione di un OQCN (network di comunicazione quantistica) in cui concretizzare le conoscenze acquisite nel campo della quantistica. I collegamenti ottici fra la isole Canarie rappresentano il peggiore scenario per gli esperimenti di Comunicazione Quantistica, un banco di prova ideale per investigare le propieta’ del fascio ottico in vista delle applicazioni spaziali, dove aspetti cruciali sono le enormi distanze che i fasci di comunicazione devono coprire.
La tesi si divide in due parti complementari:
Ground beam propagation (propagazione terrestre di fasci ottici)
la propagazione di fasci ottici nello spazio libero lungo link orizzontali alle isole Canarie, realizzando grandi distanze (143 chilometri) e avendo come scopo l 'analisi (della propagazione del fascio) in un mezzo turbolento.I risultati evidenziano configurazioni ottiche e specifiche al fine di realizzare un efficace e stabile link di comunicazione. Queste ricerche sono parte del progetto strategico Quantum Future dell’ Universita’ di Padova, "il salto nel paradigma quantistico" (The shift in the Quantum paradigm)
Space beam propagation (propagazione spaziale di fasci (ottici)).
La seconda parte e’ dedicata alla propagazione spaziale di fasci ottici, riguardando design e allestimento del prototipo quantistico SaNe-QKD al fine di interfacciarlo con il prototipo di comunicazione ottica (realizzato da Thales Alenia Space). Il sistema risultante, SaNe-QKD OPT, sara’ posizionato a bordo dei satelliti Galileo per realizzare link ottici quantistici inter-satellitari.
Simulazioni riguardo i link inter-satellitari, gli aspetti della topologia del network realizzato e la valutazione della chiave utilizzata, hanno permesso di ottenere risultati e specifiche come la lunghezza d’ onda operativa e l’ apertura dei telescopi da usare per le comunicazioni fra satelliti. Ne segue che il prototipo SaNe-QKD e’ stato allestito ed e’ qui mostrato in ogni sua parte.
Queste ricerche sono parte del progetto "Applicazione di Link di comunicazione ottica quantistica a GNSS" della Agenzia Spaziale Europea (ESA).
La mia tesi e’ divisa in quattro capitoli come segue:
Propagazione terrestre di fasci (Ground beam propagation

Capitolo 1 introduce una panoramica sui principali concetti di fotonica, modelli atmosferici e parametri di turbolenza, ottica, fibre ottiche e telescopi, concetti richiamati durante l’ esposizione. Il telescopio Newtoniano e’ analizzato al fine di indagare il fascio ottico che giunge al prototipo SaNe-QKD per fini spaziali e il telescopio Canario e’ analizzato per realizzare un sistema ottico capace di implementare un sistema di l’ inseguimento del centroide. Simulazioni con Zemax sono presentate per entrambi i telescopi al fine di controllare le aberrazioni e per motivi di collimazione del sistema ottico. Per il Newtoniano il campo fuori asse, coma e curvatura di campo sono rivelati. Per il telescopio Canario aberrazione cromatica ed inoltre è descritto lo schema dell’ esperimento di propagazione del fascio ottico in spazio ibero nelle isole Canarie con controllo di fasci co-propaganti. I modelli di turbolenza atmosferica e di Hughnagel Valley model sono poi brevemente riportati. Saranno utilizzati negli esperimenti alle isole Canarie su 143 chilometri e nel capitolo 3 saranno richiamati per simulazioni terra-spazio di comunicazione quantistica fra trasmettitore/ricevitore a terra e satellite.

Capitolo 2. E’ noto che un modo ottico non confinato che si propaga in un mezzo turbolento e’ soggetto a distorsioni. In Comunicazione Quantistica l’ informazione e’ codificata e trasmessa sotto forma di un treno di singoli impulsi con media di circa un fotone per impulso; segue che le perdite del link di un fascio che si propaga in atmosfera cresce con la distanza; di contro non possono essere ridotte aumentando la potenza del segnale (ottico) come nelle comunicazioni ottiche classiche.
Di conseguenza diventa cruciale investigare la propagazione di fasci ottici su grandi distanze, al fine di analizzare la statistica del fotone, le trasformazioni del fascio dovute alla propagazione terrestre al fine di precludere il disaccoppiamento del fascio fra trasmettitore e ricevitore. La turbolenza introduce due contributi rispetto alla dimensione dei vortici di turbolenza ("eddies" [51] [52]) in relazione al fascio ottico:
• "Beam wandering" (ballamento del fascio ottico), che ha luogo quando un fascio laser e’ rifratto da vortici di turbolenza con dimensione maggiore del fascio ottico causando lo spostamento del centro del fascio (centroide).
• "Beam spreading" (allargamento del fascio), che e’ dovuto al fascio ottico rifratto da vortici di turbolenza di dimensione inferiore al diametro del fascio. L’ allargamento su breve termine ("short-term") e’ un contributo addizionale all’ allargamento tipico della propagazione in spazio libero (in assenza di effetti di turbolenza).
Questi effetti sono legati al tempo di esposizione: su scale temporali brevi il balla- mento del fascio e’ l’ effetto dominante mentre su scale temporali lunghe l’ effetto dominante e’ l’ allargamento del fascio. Utilizzando la turbolenza come una risorsa, la ricerca sulla propagazione di fasci ottici in link ottici di comunicazione su spazio libero apre i test del nuovo allestimento, il telescopio "custom" Canario (capitolo 1). Il gruppo di ricerca ha realizzato due esperimenti di link in propagazione in spazio libero. Il primo, un test a corta distanza (circa 20 chilometri) fra Asiago e Monte Grappa (Italia) per testare il telescopio Canario e controllare i sistemi di comunicazione alla parte del trasmettitore; il secondo , un link a lunga distanza (143 chilometri) fra le isole di La Palma e Tenerife (Isole Canarie) per esperimenti di propagazione in spazio libero con severe condizioni di turbolenza. Sviluppo e analisi dei dati sono presentati, evidenziando le metodologie e la caratterizzazione della turbolenza in link terrestri ottici quantistici.
I risultati della propagazione di singoli, doppi fasci lungo 143 chilometri hanno di- mostrato che e’ possibile ottimizzare un sistema ottico al fine di ricostruire il diametro del fascio di "lungo termine" ("long term") e da tecniche di co-propagazione dei fasci le perdite dei link possono essere ridotte. Cio’ e’ promettente poiche’ le perdite dei link sono un aspetto cruciale in Comunicazione Quantistica, quando in un canale "noisy"(rumoroso) il segnale quantistico (l’ informazione codificata in singoli fotoni) non puo’ essere migliorata mediante l’ aumento della potenza del segnale. Inoltre abbiamo osservato che la statistica di arrivo dei singoli fotoni nello spazio libero (143 chilometri di link ottico) conferma la trasformazione da Poissoniana a log-normale della distribuzione (statistica della sorgente): c” inoltre evidenza di sub intervalli consecutivi di basse perdite, cosa che permette di aprire uno scenario di ricerca sui fenomeni di turbolenza come miglioramento delle tecniche di ("signal to noise") miglioramento del rapporto segnale-rumore.
Propagazione spaziale di fasci (Space beam propagation) .

Capitolo 3 secondo le richieste del progetto dell’ Agenzia Spaziale europea (ESA) sono riportati gli studi di fattibilita’ per l’ applicazione della Comunicazione Quantistica nella costellazione Galileo. Il capitolo inizia con una panoramica sui meriti della Comunicazione Ottica (rate di scambio dati, riduzione peso e consumi, compattezza,..) evidenziando che la sicurezza (intrinseca) e’ un valore aggiunto che solo la controparte quantistica puo’ fornire. Il capitolo inizia con una breve parte che richiama la meccanica orbitale dei satelliti, In seguito si continua con simulazioni terra-spazio richiamando le simulazioni presenti in letteratura xi propagazione di fasci ottici terra-spazio e spazio-terra attraverso l’, lo studio di fattibilita’ mostra purtroppo che la costellazione Galileo puo’ relizzare solo link di comunicazione inter satellitare poiche’ atmosfera e quota dei satelliti ne impediscono ogni trasmissione di singolo fotone con la presente tecnologia. Comunque i risultati delle simulazioni di propagazione di fascio ottico fra satelliti mostrano che le enormi distanze spaziali possono essere superate (i requisiti derivati sono di diametro del telescopio <20 cm e di lunghezza d’operativa <532nm) e gli intervalli temporali entro cui realizzare la comunicazione quantistica possono essere calcolati: rispetto ad un satellite di riferimento di differente piano orbitale, l’ inter- vallo temporale in cui le distanze interstellari sono entro 15000 chilometri sono
• Per il satellite chiamato tre di circa satellite 176 minuti
• Per il satellite chiamato due di circa satellite 168 minuti
In seguito i moti relativi dei satelliti che giacciono in differenti piani orbitali mostrano che e’ possibile comunicare fra due satelliti che sono a turno piu’ vicini, ottenendo apprezzabili rate di comunicazione:
gli intervalli di distanza in cui calcolare i valori di "raw key rate" sono 6000,10000 e 19000 chilometri, e i migliori valori sono (18M bits/s aa 6600 km, relativamente a bassi valori di attenuazione) sono ottenuti per un telescopio di diametro di 50cm e lunghezza d’ onda di 50nm, mentre i peggiori valori di "raw key rates" (2.2 Kbits/s a 6600 chilometri, in relazione a maggiori valori di attenuazione) si hanno per un telescopio di 20cm e lunghezza d’di 800 nm.
Infine, la sicurezza dell’odierna societa’ basata sull’ informazione e’ di fondamentale importanza: il Network Galileo (Optical Quantum Communication Network) garantira’ la sicurezza intrinseca dello scambio di chiavi quantistiche, libero da attacco PN entro una distanza inter-satellitare definita dallo schema di Decoy. Dopo un breve richiamo al modello per un sistema di Comunicazione Quantistica, simulazioni in merito al "key rate" (tasso di scambio di chiavi) sono mostrate nella sezione finale, mostrando che fissate lunghezza d’ onda e distanze interstellari, maggiori sono le aperture dei telescopi maggiori sono i valori di "key rate" ottenuti. Allo stesso tempo abbiamo osservato che piu’ corte lunghezze d’ onda operative presentano maggiori valori di "key rate", assicurando che in merito alla costellazione Galileo OQCN (Optical Quantum Communication Network) gli schemi di decoy possono essere applicati al fine di battere l’ attacco PNS, sui possibili link di comunicazione, in relazione al range di distanza (della comunicazione), alla lunghezza d’ onda coperta e all’ apertura del telescopio.
Dopo un breve richiamo al modello per un sistema di Comunicazione Quantistica, simulazioni in merito al "key rate" sono mostrate nella sezione finale, evidenziando che considerando le lunghezze d’ onda e le distanze di propagazione del fascio, grandi aperture presentano elevati valori di "key rate". Allo stesso tempo abbiamo osservato che a corte lunghezza d’ onda operativa presentano maggiori valori di "key rate". Allo stesso tempo abbiamo osservato che corte lunghezze d’ operative presentano maggiori valori di "key rate" assicurando che in merito a Galileo OQCN (Optical Quantum Communication Network) gli schemi di decoy possono essere applicati al fine di battere l’ attacco PNS sui possibili link di comunicazione in relazione alla distanza coperta, la lunghezza d’ onda operativa scelta e l’ apertura del telescopio.
Capitolo 4 Presentiamo un riassunto (introduttivo) riguardo ai risultati dello studio di fattibilita’ sull’ applicazione di link di comunicazione Ottici Quantistici in relazione al sistema globale satellitare (GNSS Galileo): per un network basato sulla Distribuzione di Chiavi Quantistiche inter-satellitare abbiamo derivato nel passato capitolo alcune specificazioni riguardo alla selezione della lunghezza d’ onda medi- ante una analisi del fascio che si propaga al di fuori dell’ atmosfera per telescopi di diametro fissato e per lunghezze d’ onda determinate, mostrando che decrescendo la lunghezza d’onda e aumentando il raggio del telescopio la dimensione del fascio al ricevitore si riduce e cosi’ l’ attenuazione, mentre il rapporto segnale rumore SNR aumenta.
Considerato il moto del sistema Galileo GNSS, abbiamo anche mostrato alcune simulazioni in MATLAB per valutare gli intervalli temporali in cui due moduli spaziali raggiungono la minima distanza fra di loro, al fine di investigare la fattibilita’ del sistema di Link di Comunicazione Ottico Quantistica (OQL) e valutare le attese performance (rese) in termini di lunghezze delle chiavi (crittografiche) raggiungibili.
In questo capitolo la chiave segreta finale attesa e’ derivata (considerando il "raw key rate", il numero medio di fotoni per qubit in uscita dal trasmettitore, l’ efficienza di Distribuzione di Chiavi Quantistiche, l’ attenuazione dei link di spazio libero, l’ attenuazione dovuta ai rivelatori dalla parte del ricevitore , il QBER) e il numero di chiavi "sifted" (esaminate/analizzate) richieste contro il QBER che deve essere a disposizione del trasmettitore e del ricevitore, poi la trasmissione a livello quantistico e la fase di "sifting" (esame/analisi), sono anche valutate, al fine di poter esaminare la chiave segreta di desiderata lunghezza. (Assunti valori di attenuazione fra -40 dB e -45 dB per il canale quantistico).
Sono di seguito descritti il prototipo quantistico SaNe-QKD in ogni sua parte, il protocollo di Distribuzione di Chiavi Quantistiche utilizzato B92, il trasmettitore e il ricevitore nel suo arrangiamento opto-meccanico con le dedicate interfacce per mettere in comunicazione il modulo quantistico col modulo ottico costruito da Thales Alenia Space.
Infine i test di Proof of Concept Demonstration (Prova della Dimostrazione del Concetto) per la parte quantistica sono descritti

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Naletto, Giampiero
Correlatore:Villoresi, Paolo
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 26 > Scuole 26 > SCIENZE TECNOLOGIE E MISURE SPAZIALI > ASTRONAUTICA E SCIENZE DA SATELLITE
Data di deposito della tesi:31 Gennaio 2014
Anno di Pubblicazione:31 Gennaio 2014
Informazioni aggiuntive:Quantum Communication, Space and Ground beam propagation, Optical Quantum Communication Network for Galileo GNSS satellite constellation
Parole chiave (italiano / inglese):Optical Quantum Communication Network, Space and ground beam propagation, Quantum Key Distribution, Quantum prototype SaNe-QKD for Galileo GNSS constellation, feasibility studies, atmospheric turbulence, free space propagation
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-INF/03 Telecomunicazioni
Area 02 - Scienze fisiche > FIS/01 Fisica sperimentale
Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/05 Impianti e sistemi aerospaziali
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione
Codice ID:6820
Depositato il:24 Ago 2016 11:28
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Bibliografia

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[1] A. Alonso, M. Reyes and Z. Sodnik, “Performance of satellite-to-ground com- munications link between ARTEMIS and the Optical Ground Sta- tion,” Proc. SPIE 5572, Optics in Atmospheric Propagation and Adaptive Systems, VII, 372 (November 11, 2004); Cerca con Google

[2] L.C. Andrews, R.L. Phillips, C.Y. Hopen, “Laser Beam Scintillation with Ap- plications”, SPIE Press 2001; Cerca con Google

[3] Aspelmeyer, M., Jennewein, T., Pfennigbauer, M., et al. Long distance quan- tum communication with entangled photons using satellites. IEEE J. Sel. Top. Quant. Electr. 9 (6), 1541–1551, 2003; Cerca con Google

[4] D. Bacco, M. Canale, N. Laurenti, G. Vallone, P. Villoresi, Experimental QKD with finite-key security analysis for noisy channels, Nature Comm.; Cerca con Google

[5] D. Bacco, Comunicazione quantistica finalizzata alla realizzazione di chiavi in spazio libero, Master thesis, Padova, 2011; Cerca con Google

[6] J.S.Bell, "On the Einstein Podolsky Rosen paradox”, Physics,1,3 (195), 1964; Cerca con Google

[7] C.H. Bennett, G. Brassard, C. Crepeau, R. Jozsa, A. Peres, W. K. Woot- ters “Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein- Podolsky-Rosen channels”, Phys. Rev. Lett. 70 1895 (1993); Cerca con Google

[8] C. Bennett at al. Quantum crypyography using any two nonorthogonal states", Phys. Rev. Lett. 68, 3121-3124 (1992) ; Cerca con Google

[9] C.H. Bennett, G. Brassard, “Quantum Cryptography: Public key distribution and coin tossing”, Proceedings of IEEE International Conference on Comput- ers, Systems, and Signal Processing, pp. 175-179, India, (1984); Cerca con Google

[10] D. Binosi, "Strategic report on current status , visions and goals for research in Europe", QIPC Quantum Information Processing and Communication, QIST, London 2008; Cerca con Google

[11] K. Bohmer, M. Gregory, F. Heine, H. Kampfner, R. Lange, M. Lutzer, R. Meyer Cerca con Google

Laser Communication terminals for the European Data Relay System, Proc. Cerca con Google

SPIE 8246, free-space Laser Communication Technologies, XXIV, 82460D Cerca con Google

(February 9, 2012); Cerca con Google

[12] C. Bonato, A. Tomaello, V. Da Deppo, G. Naletto, P. Villoresi Feasibility of satellite quantum distribution. New Journal of Physics 11, 045017; Arlington, 2009 ; Cerca con Google

[13] D. Bouwmeester, A. Ekert, A. Zieilinger, The physics of quantum information: quantum cryptography, quantum teleportation, quanum computing. Springer Verla, 2000 Cerca con Google

[14] G. Brassard, L. Salvail, “Secret-key reconciliation by public discussion,” Euro- crypt 1993, pp. 410-423; Cerca con Google

[15] W. T. Buttler, S. K. Lamoreaux, J. R. Torgerson, G. H. Nickel, C. H. Donahue, and C. G. Peterson Fast, efficient error reconciliation for quantum cryptogra- phy, Phys. Rev. A, 2003; Cerca con Google

[16] W. T. Buttler, R.J. Hughes, P.G. Kwiat, S. K. Lamoreaux et al. "Practical free- space Quantum Key Distribution over 1 km", Phys. Rew. Lett. 81 3283-3286, 1998 ; Cerca con Google

[17] M. Canale, D. Bacco, S. Calimani, F. Renna, N. Laurenti, G. Vallone and P. Villoresi A prototype of a free-space QKD scheme based on the B92 protocol, ISABEL 2011, Barcelona, Spain, 29/10/11; Cerca con Google

[18] I. Capraro, A. Tomaello, A. Dall’Arche, F. GERLIN, R. Ursin, G. Vallone, P. Villoresi, Free-Space Laser Communication Technologies, Proc. SPIE 8246, doi:10.1117/12.916078 ; Cerca con Google

[19] I. Capraro, A. Tomaello, A. Dall’Arche, F. GERLIN, R. Ursin, G. Vallone, P. Villoresi, Impact of turbulence in long range quantum and classical communi- cations, Phys. Rev. Lett., arXive:120.6931,2012; Cerca con Google

[20] G. Cariolaro, C. De Angeli, N. Laurenti "Comunicazioni ottiche",Edizioni Li- breria Progetto(2006); Cerca con Google

[21] G. Cariolaro,"Telecomunicazioni Quantistiche",(2008); Cerca con Google

[22] R. Corvaja, I. Capraro, A. Dall’Arche, N. Dalla Pozza, F. GERLIN, A. Tomaello, M. Zorzi, A. Assalini, A. Ferrante, G. Pierobon, F. Ticozzi, G. Val- lone, P. Villoresi, Engineering a Long Distance Free-Space Quantum Channel, Proceedings of Isabel 2011, Barcelona, Spain, 2011; Cerca con Google

[23] H.D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, Elsevier Aerospace Engineering series, 2005; Cerca con Google

[24] F. Dios, J.A. Rubio, A. Rodriguez, A. Cameron, Appl. Opt. 43,3866 (2004); Cerca con Google

25] M. Dusek, M. Jahma and N. Lutkenhaus Unambiguous state discrimi- nation in quantum cryptography with weak coherent states, Phys. Rev. A (62,2,022306,13/7/00); Cerca con Google

[26] A. K. Ekert, “Quantum cryptography based on Bell’s theorem’ Phys. Rev. Lett. 67,661 (1991) Cerca con Google

[27] D. Elkouss, A. Leverrier, R. Alléaume, and J. J. Boutros, “Efficient reconcilia- tion protocol for discrete-variable quantum key distribution” in IEEE Interna- tional Symposium on Information Theory, ISIT, 2009, pp. 1879-1883; Cerca con Google

[28] C. Elliott “The DARPA Quantum Network” in Quantum Communications and Chryptography, ed. A. Segienko, M. Dekker, CRC Press, 2006; Cerca con Google

[29] C. Elliott, A. Colvin, D. Pearson, O. Pikalo, J. Schlafer, H. Yeh “Current status of the DARPA quantum network” Proceedings of the SPIE, 5815:138- 149 (2005); Cerca con Google

[30] R.L. Fante, Proc. IEEE 63,1669 (1975); Cerca con Google

[31] R.L. Fante, Trans. Antennas Propag. 23, 382 (1975) ; Cerca con Google

[32] R.L. Fante, Proc. IEEE 68,1424 (1980); Cerca con Google

[33] A. Fedrizzi, R. Ursin, T. Herbst, M. Nespoli, R. Prevedel, T. Scheidl, F. Tiefen- bacher, T. Jennewein, and A.Zeilinger, Nat. Phys. 5, 389 (2009); Cerca con Google

[34] S. Fossier, et al, Cerca con Google

[36] D.L. Fried, J. Opt. Soc. Am. 56,1372(1966); Cerca con Google

[37] F. GERLIN, Site-testing Astroclimatologico dell’Osservatorio Astronomico di Asiago, Master degree thesis in Astronomy, University of Padua, 29 June 2009 ; Cerca con Google

[38] F. GERLIN, N.Laurenti et al. design optimization for quantum communica- tions in GNSS intersatellite network, Localization and GNSS, ICL-GNSS, 2013 International Conference, Turin, 2325-0747, p. 6, 25-27 June 2013; Cerca con Google

[39] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel and H. Zbinden, "Quantum Cryptography", Rev. Mod. Phys., 74 145-95, 2002; Cerca con Google

[40] D. Gottesman and J. Preskill, ‘’Secure Quantum Key Distribution using squeezed States”, Phys. Rev. A 63, 022309 (2001) ; Cerca con Google

[41] F. Grosshans et al. Proceedings of the sixth International Conference on Quan- tum Communications, Measurement and Computing (QCMC 02) Rinton Press, Princeton, NY, 2002 Cerca con Google

42] Grosshans et al., ‘’Quantum key distribution using gaussian-modulated coher- Cerca con Google

ent states”, Nature 421, 238 (2003) Cerca con Google

[43] E. Hecht, Optics, Addison-Wesley Longman, 1998; Cerca con Google

[44] M. Heid, N. Lutkenhaus,textit 2006, Phys. Rev. A73, 052316 Cerca con Google

[45] H. Hemmati Near-Earth Laser Communications, CRC Press, Taylor and Fran- cis Group, 2009; Cerca con Google

[46] J. Horwarth, F. David, M. Knapek, N. Perlot, "Coherent transmission fea- sibility analysis", Free-Space Laser Communication Technologies XVII; G. S. Mecherle; Ed. Proc. SPIE Vol. 5712, p.13-23, April 2005; Cerca con Google

[47] R. J. Hughes, W. T. Buttler, P. G. Kwiat, S. K. Lamoreuax, G. L. Morgan, J. E. Nordholt, and C. G. Peterson Quantum cryptography for secure satellite communications, IEEE AERO, 1,191-200, 2000; Cerca con Google

[48] T. E. Humphreys Detection Strategy for Cryptographic GNSS Anti- Spoofing, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 49,2,1073- 1090,4/13 ; Cerca con Google

[49] B. Huttner, N. Imoto, N. Gisin and T. Mor Quantum cryptography with coher- ent states Phys. Rev. A (51,3,1863-1869,3/95); Cerca con Google

[50] P. Kaye, R. Laflamme, M. Mosca, ”An introduction to Quantum Computing”, New York Oxford University Press (2007); Cerca con Google

[51] A. Kolmogorov, Turbulence, Classical papers an Statistical Theory, S. K. Fried Lander, L. Topper, New York, 1961; Cerca con Google

[52] A. Turbulence, "The local structure in an incompressible viscous fluid for very large Reynolds numbers", C.R. (Dokl) Acad. Sci. USSR 30, 301-305, 1941; Cerca con Google

[53] C. Kurtsiefer, P. Zarda, M. Hadler, H. Weinfurter, P.M. Gorman, P.R. Tapster, J.G. Rarity, "Quantum cryptography,: a step towards global key distribution", Nature 419(6906): 450,10,2002; Cerca con Google

[54] V. Kuzkov, D. Volovyk, S. Kuzkov, V. Caramia, Z. Sodnik, S. Pukha, “Laser Ground System for Communication Experiments with ARTEMIS,” Proc. IC- SOS, 9–12 October 2012; Cerca con Google

[55] N. Lutkenhaus Security against individual attacks for realistic quantum key distribution Phys. Rev. (61,5,052304,6/4/00); Cerca con Google

[56] X. Ma, T. Herbst, T. Scheidl, D. Wang, S. Kropatschek, W. Naylor, B. Wittmann, A. Mech, J. Kofler, E. Anisimova, V. Makarov, T. Jennewein, R. Ursin, A. Zielinger Quantum teleportation over 143 kilometres using active feed-forward, Nature, 489, 269, 2012; Cerca con Google

57] H.K. Lo, X. Ma, K. Chen "Decoy state quantum key distribution", Physical Cerca con Google

Review Letters 94 (23),230504; [58] X. Ma, B. Qi, Y. Zhao, K. H.K. Lo, "Practical decoy state for quantum key Cerca con Google

distribution", Physical Review A 72(1),012326; [59] Y. Zhao, B. Qi, X. Ma, H.K. Lo, L.Qian, "Experimental quantum key distribu- Cerca con Google

tion with decoy state", Physical Review Letters 96(7),070502; [60] U. M. Maurer et al., Secret key agreement by public discussion from common Cerca con Google

information. IEEE Trans. Inf. Theory. 39,733 (1993) Cerca con Google

[61] E. Meyer-Scott, Z. Yan, A. MacDonald, J. Bourgoin, H. Hübel, and T. Jen- newein How to implement decoy-state quantum key distribution for a satellite uplink with 50-dB channel loss, Physical Review A, 84,6,062326,22/12/11; Cerca con Google

[62] P. W. Milonni, J. H. Carter, C. G. Peterson, and R. J. Hughes, J. Opt. B 6, S742 (2004); Cerca con Google

[63] http://esc.gsfc.nasa.gov/267/278/279/LASER-COMMUNICATIONS-SET -FOR-MOON-MISSION.HTML; Vai! Cerca con Google

[64] M.A. Nielsen, I.L. Chuang,”Quantum Computation and Quantum Informa- tioni”,Cambridge University Press, (2000); Cerca con Google

[65] J.W.Pan et al., Teleporting independent qubits through a 97km free-space chan- nel, arXive:1205.2024,2012; Cerca con Google

[66] P. Papadimitratos and A. Jovanovic Protection and fundamental vulnerability of GNSS, IEEE IWSSC, 167-171, 2008; Cerca con Google

[67] M. Peev et al. “The SECOQC quantum key distribution network in Vienna”, New J. Phys. 11 075001 (2009); Cerca con Google

[68] N. Perlot, M. Knapek, D. Giggenbach, J. Horwath, M. Brechtelsbauer, Y. Takayama, T. Jono, "Results of the Optical Downlink Experiment KIODO from OICETS Satellite to Optical Ground Station Oberpfaffenhofen (OGS-OP)", SPIE Photonics West, Free Space Laser Communication Technologies XIX, San Jose, Jan. 2007; Cerca con Google

[69] Pirandola, S. Braunstein, S.L., Mancini, S. Lloyd, S., Secure quantum direct communication with continuous variables, Euro Physics Letters 84, 20013-1/6 (2008) Cerca con Google

[70] http://qurope.eu/content/qipc-roadmap/ Vai! Cerca con Google

[71] B.E.C. Saleh, M.C. Teich, Fundamentals of photonics, Wiley series in pure and applied optics. Wiley-Interscience. 2007; Cerca con Google

72] M. Sans, Z. Sodnik, I. Zayer, R. Daddato, “Design of the ESA Optical Ground Cerca con Google

Station for participation in LLCD,” Proc. ICSOS, 9–12 October 2012; Cerca con Google

[73] V. Scarani and R. Renner Quantum cryptography with finite resources: uncon- ditional security bound for discrete-variable protocols with one-way post pro- cessing Phis. Rev. Lett. (100,20,200501,23/5/08); Cerca con Google

[74] V. Scarani, H. Bechmann-Pasquinucci, N.J. Cerf, M. Dušek, N. Lütkenhaus, M. Peev The security of practical quantum key distribution Rev. Mod. Phys 81,3,1301-1350,9/09 ; Cerca con Google

bibitemScheidl10 T. Scheidl, R. Ursin, J. Kofler, S. Ramelow, X.-S. Ma, T. Herbst, L. Ratschbacher, A. Fedrizzi, N. K. Langford, T. Jennewein, and A. Zeilinger, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 19 708 (2010); Cerca con Google

[75] T. Scheidl, E. Wille, R. Ursin "Quantum optics experiments to the International Space Station ISS: a proposal, New J. Phys. 15043008, 2013" Cerca con Google

[76] T. Schmitt-Manderbach, Experimental demonstration of free-space decoy-state quantum key distribution over 144km, Phys. Rev. Lett. 98,010504,2007; Cerca con Google

[77] www.secoqc.net/; Vai! Cerca con Google

[78] Shannon C.E., 1949, Bell Syst. Tech, J. 28, 656 Cerca con Google

[79] Shor, P. W., 1994 Proceedings of the 35th Annual Symposium on the Founda- tions of Computer Science, Santa Fe (IEEE Computer Society, Los Alamitos) Cerca con Google

[80] A.Siegman, Lasers, University Science Books, Mill Valley, 1986; [81] Stazione Spaziale Internazionale, en.m.wikipedia.org/wiki/ Cerca con Google

International_Space_Station; Cerca con Google

[82] X. Sun, D. R. Skillman, E. Hoffman, D. Mao, J.F. McGarry, L. McIntire, R. S. Zellar, F. M. Davidson, W. H. Fong, M. A. Krainak, G. A. Neumann, M. T. Zuber, D. E. Smith, “Free space laser communication experiments from Earth to the Lunar Reconnaissance Orbiter in lunar orbit,” Optic Express, vol. 21, pp. 1865-1871 (2013); Cerca con Google

[83] O.Svelto, Fundamentals of photonics, 1999; Cerca con Google

[84] webpage http://space.skyrocket.de/doc_sdat/terrasar-x.html; Vai! Cerca con Google

[85] V.I. Tatarski, Wave Propagation in a Turbulent medium (McGraw-Hill, New York, 1961); Cerca con Google

[86] TelescopeOptics.net, website, www.telescope-optics.net/relecting.htm; Vai! Cerca con Google

[87] http://www.dlr.de/en/desktopdefault.aspx/tabid-78/7420_ read-14120/; Vai! Cerca con Google

[88] T. Tolker-Nielsen and G. Oppenhauser, “In-orbit test result of an operational optical intersatellite link between ARTEMIS and SPOT4, SILEX,” Proc. SPIE 4635, Free-Space Laser Communication Technologies, XIV, 1 (April 30, 2002); Cerca con Google

[89] A. Tomaello, C. Bonato, V. DaDeppo, G. Naletto, and P. Villoresi ,“Link budget and background noise for satellite quantum key distribution,” Advances in Space Research, 47(5): 802-810, 2011; Cerca con Google

[90] Tomaello, A. Dall’Arche, A. Gerlin, F., Capraro, I. Vallone, G. and Villoresi, P. “Experimental Studies toward the Quantum Communications with orbiting terminals”, OSA 2012, Quantum Information and Measurement2012;. Cerca con Google

[91] A. Tomaello, “Quantum Communication channels between earth and space” PhD thesis (2012); Cerca con Google

[92] M. Tomamichel, C. C. W. Lim, N. Gisin and R. Renner Tight finite key analysis for quantum cryptography, Nature Comm. vol. 3, art. 634, January 2012; Cerca con Google

[93] M. Toyoshima, S. Yamakawa, K. Arai, M. Reyes, A. Alonso, Z. Sod- nik, P. Lopez, B. Demelenne, “Ground-to-satellite optical link tests between Japanese laser communications terminal and European geostationary satellite ARTEMIS,” Proc.SPIE 5338, Free-Space Laser Communication Technologies, XIV, 1 (June 16, 2004); Cerca con Google

[94] R.K. Tyson, Adaptive optics engineering handbook, Optical science and engi- neering, Marcel Dekker, 2000; Cerca con Google

[95] P.B. Ulrich, Hufnaghel-Valley profiles for specified values of the coherence length and isoplanatic patch angle. WJSA/MA/TN-88-013, Arlington, Va, 1988; Cerca con Google

[96] R.Ursin, S. Backus, K. F. Tiefenbacher, T. Schmitt- Manderbach, H. Weier, T. Scheidl, M. Lindenthal, B. Blauensteiner, T. Jennewein, J. Perdigues, P. Trojek et al. Entanglement based quantum communication over 144km.Nat. Phys. 3,481-6, 2007; Cerca con Google

[97] U.S. Office of the Secretary of Defence, Unmanned Aerial Vehicle Roadmap, 2000-2025, p. 33, 2001; Cerca con Google

[98] G. Vallone, P. Villoresi, I. Capraro, A. Dall’Arche, F. GERLIN, A. Tomaello,Expeerimental Study of Free-Beam propagation for Single-photon Quantum OSA 2012; Cerca con Google

[99] Vernam, G.S.,1926, J. Am. Inst. Elect. Eng. 55,109 Cerca con Google

[100] P. Villoresi, T. Jennewein, F. Tamburini, M. Aspelmeyer, C. Bonato, R. Ursin, C. Pernechele, V. Luceri, G. Bianco, A. Zeilinger, and C. Barbieri, Experimen- tal verification of the feasibility of a quantum channel between space and Earth, New J. Phys. 10, 033038 (2008); Cerca con Google

101] P. Villoresi et al., Space-to-Ground quantum communication using an optical ground station: a feasibility study. Quantum Communications and Quantum Imaging II,Proceeding SPIE 5551 113,2004; Cerca con Google

[102] C. Weedbrook, et al. “Quantum Cryptography Without Switching”, Physical Review Letters 93, 1-4 (2004). Cerca con Google

[103] W Wootters, W. Zurek, A single quantum cannot be cloned, Nature, 299:802- 803, October 1982 Cerca con Google

[104] J.Yin, Y.Cao, S.-B. Liu, G.-S. Pan, J.-H. Wang, T. Yang, Z.-P.Zhang, F.-M. Yang, Y.-A. Chen, C-Z. Peng, J.-W. Pan "Experimental single-photon trans- mission from satellite to Earth", 2013 arXiv.org/abs/1306.0672 Cerca con Google

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