Novel time window segmentation TDC Architecture with high-precision and long measurement range for Quantum Ghost Imaging

The evolution of quantum imaging has revolutionized detection capabilities, overcoming the fundamental limitations of conventional techniques. Unlike classical methods, where light interacts directly with the scene under analysis, Quantum Ghost Imaging (QGI) exploits an innovative quantum principle: Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC). This process generates pairs of entangled photons with complementary characteristics, enabling a unique detection strategy. In this setup, an idler infra-red photon interacts with the scene and is recorded by a non-spatially resolved sensor, while the corresponding visible signal photon is captured by a spatially-resolved detector. Quantum entanglement guarantees instantaneous information transfer between photons, allowing image reconstruction through their correlation. Within the European project ADEQUADE (Advanced, Disruptive and Emerging QUAntum technologies for DEfense), this thesis addresses and overcomes critical limitations of current QGI implementations, which are restricted to small objects at short distances in controlled experimental environments and rely on complex optical delays for synchronization. The innovative approach developed enables the reconstruction of remote targets through an advanced system integrating a Silicon Single Photon Avalanche Diode (SPAD) array for visible signal photons with an InGaAs SPAD bucket detector for infra-red idler photons. Synchronization is achieved through sophisticated digital post-processing techniques that require precise timestamp assignment to ensure correct photon-pair correlation and effective background noise discrimination. The main contribution of this thesis is an integrated system based around two critical components: a Time-to-Digital Converter (TDC) for the idler channel and a Phase-Locked Loop (PLL). The TDC, utilizing the innovative "Time Window Segmentation" technique for jitter reduction, achieves a temporal precision of 50 ps, significantly superior to the 200 ps of the SPAD array. This asymmetry in precision is strategically designed: since the total uncertainty in temporal correlation follows a quadratic sum, having significantly higher precision on one of the two channels minimizes overall measurement degradation, resulting in final precision primarily limited by the less accurate channel. The PLL generates a stable and precise clock signal, synchronizing the entire system and providing both the temporal reference for the SPAD array and the control signal for the idler TDC. Implemented in 40 nm CMOS technology, this system demonstrates robust performance under various operating conditions, opening new perspectives for long-distance quantum imaging. The results achieved represent a significant advancement toward practical applications in crucial fields such as medical and defense imaging, marking an important step toward implementing QGI technology in real-world contexts.

Nel campo dell'imaging, le tecniche quantistiche hanno aperto nuove frontiere nel rivelamento dei fotoni, permettendo di superare i limiti intrinseci delle metodologie convenzionali. Il Quantum Ghost Imaging (QGI) si distingue dai metodi classici di acquisizione delle immagini per il suo principio di funzionamento basato sulla Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC), un fenomeno quantistico che permette un approccio radicalmente diverso all'imaging. Questo processo genera coppie di fotoni entangled con caratteristiche complementari, permettendo una strategia di rivelazione innovativa. In questo schema, un fotone nel vicino infrarosso (idler) interagisce con la scena ed è registrato da un sensore non risoluto spazialmente, mentre il fotone visibile di segnale corrispondente viene rivelato da un sensore risoluto spazialmente. L’entanglement quantistico garantisce il trasferimento istantaneo dell’informazione tra i fotoni, consentendo la ricostruzione dell’immagine attraverso la loro correlazione. Nel contesto del progetto europeo ADEQUADE (Advanced, Disruptive and Emerging QUAntum technologies for DEfense), questa tesi affronta e supera i limiti critici delle implementazioni QGI attuali, vincolate a piccoli oggetti, a breve distanza, in ambienti sperimentali controllati e dipendenti da complessi ritardi ottici per la sincronizzazione. Il sistema sviluppato si basa su un'architettura innovativa che combina un array di rivelatori SPAD per i fotoni di segnale nel visibile e un singolo rivelatore SPAD per i fotoni idler nell'infrarosso, consentendo la ricostruzione di oggetti a grande distanza. La sincronizzazione è realizzata tramite sofisticate tecniche di post-elaborazione digitale, che richiedono una precisa misurazione del tempo di arrivo per garantire una corretta correlazione delle coppie di fotoni e un’efficace discriminazione dal rumore di fondo. Il contributo principale di questa tesi è un sistema integrato progettato attorno a due componenti critici : un Time-to-Digital Converter (TDC) per il canale idler e un Phase-Locked Loop (PLL). Il TDC, utilizzando l'innovativa tecnica "Time Window Segmentation" per la riduzione del jitter, raggiunge una precisione temporale di 50 ps, significativamente superiore ai 200 ps dell'array SPAD. Questa asimmetria nella precisione è strategicamente progettata: poiché l'incertezza totale nella correlazione temporale segue una somma quadratica, avere una precisione significativamente maggiore su uno dei due canali permette di minimizzare il degrado complessivo della misura, risultando in una precisione finale limitata principalmente dal canale meno accurato. Il PLL genera un segnale di clock stabile e preciso, sincronizzando l'intero sistema e fornendo sia il riferimento temporale per l'array SPAD sia il segnale di controllo per il TDC idler. Il sistema, realizzato mediante tecnologia CMOS a 40 nm, ha dimostrato un'elevata affidabilità in un'ampia gamma di condizioni operative, aprendo nuove prospettive per l'imaging quantistico a lunga distanza. I risultati raggiunti costituiscono un progresso significativo verso applicazioni concrete in settori fondamentali come l'imaging medico e quello per la difesa, rappresentando un passo rilevante per portare la tecnologia QGI a un livello pratico e utilizzabile in contesti reali.