Progetto di un circuito integrato operante fino a temperature criogeniche per crittografia quantistica nello spazio

Over the past three decades, the introduction of quantum mechanics in many research fields has been producing a quantum revolution characterized by the spreading of various applications based on quantum systems. For example, with regard to data security, the introduction of elemental quantum systems in the telecommunication field has allowed the development of many communication protocols in which security is based on hardware properties of quantum states. This makes these cryptosystems practically unbreakable if compared to the most secure cryptographic systems already known, that always present some weaknesses in therms of data protection. Among those protocols, a promising quantum cryptographic technique, also known as Quantum Key Distribution (QKD), has shown the possibility to establish secure intercontinental quantum communication through the use of specific satellites. Within this technological context, it can be found the QUASIX project, funded by the Italian Space Agency (ASI) and coordinated by the Institute of Photonics and Nanotechnologies of CNR (INFN-CNR) in collaboration with DEIB and Physics Department of Politecnico di Milano and with two other italian universities, Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa and Università di Padova, which aims to create optoelectronic components for quantum systems in Space. This master thesis by focusing on this Project, consists in the designing of an integrated electronic circuit to control single photon emission in Er-doped diodes. Before designing the circuit it has been extremely important studying these optical sources, in order to get more specifications on the electronic system to implement. Moreover, due to the project constraints on the lowest operation temperature required to the final system, fixed at 77K, it has been necessary to characterize the CMOS technology used to design the whole circuit at this temperature, in order to obtain a BSIM3v3 simulation model to use during system verification on the circuit simulator. Finally, an integrated driver consisting in an integrated temperature sensor and in a DAC converter has been designed.

Negli ultimi trent'anni, l'introduzione della meccanica quantistica in molti ambiti di ricerca ha dato vita ad una vera e propria rivoluzione quantistica, contraddistinta dalla nascita di innumerevoli applicazioni basate su sistemi quantistici. In termini ad esempio di sicurezza dati, l'introduzione di sistemi quantistici elementari nell'ambito delle telecomunicazioni ha consentito, a differenza anche dei più sicuri sistemi di crittografia attualmente noti, lo sviluppo di una serie di protocolli di comunicazione la cui sicurezza è basata su proprietà hardware intrinseche degli stati quantistici. Tra questi, una promettente tecnica di crittografia quantistica, nota con il nome di Quantum Key Distribution (QKD), ha mostrato la possibilità di instaurare comunicazioni quantistiche intercontinentali sicure, sfruttando come vettore dei satelliti preposti. In tale contesto tecnologico, si colloca il Progetto QUASIX (single photon integrated source for QUAntum SIlicon Communications in Space), finanziato dall'Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e coordinato dall'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del Consiglio Nazionale delle Ricerche (INFN-CNR) in collaborazione con il DEIB e il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, la Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa e l'Università di Padova, che si pone come obiettivo quello di realizzare componentistica optoelettronica per sistemi di crittografia quantistica nello spazio e su cui si è inserito questo lavoro di tesi, volto alla realizzazione di un driver integrato per il controllo di sorgenti ottiche di singoli fotoni costituite da diodi drogati con erbio. Prima di poter progettare il circuito elettronico richiesto, è stato quindi essenziale condurre uno studio preliminare di caratterizzazione optoelettronica di sorgenti ottiche simili a quelle che si intendono sviluppare all'interno del progetto QUASIX. Successivamente, poiché da specifica di progetto si è richiesto di assicurare il corretto funzionamento del sistema fino ad una temperatura di 77K, è stato necessario effettuare una caratterizzazione sperimentale della tecnologia CMOS adottata, finalizzata all'estrazione dei modelli simulativi BSIM3v3 a 77K, con lo scopo di adottare tali modelli in fase di design per validare il funzionamento del circuito a temperature criogeniche. Infine, si è progettato il sistema elettronico integrato, che include un sensore di temperatura integrato e di un DAC per controllare l'emissione di singoli fotoni del diodo drogato con erbio.