Unidirectional transmission and detection of optical clocks in photon-starved regime over noisy channels using free-running clocks

This thesis introduces a clock recovery method for quantum communications that operates at received clock power levels below one photon per second, in the presence of optical noise orders of magnitude stronger than the clock. The optical clock is transmitted unidirectionally over the channel using the same laser as the quantum signal, and detection is performed by the same single-photon detectors. Independent free-running clocks distribute the timing at the transmitter and at the receiver. Experimental demonstrations show successful clock recovery at average photon arrival rates of 0.1 and 0.01 photons/s (equivalent to -168.9 dBm and -178.9 dBm), under measured SNRs of -75 dB and -60 dB, achieving timing accuracies of 70 ps and 348 ps, respectively. The proposed approach is especially well suited for long-distance quantum communication, including deep-space optical links. Beyond timing distribution, it can also function as a laser beacon transmitted from Earth, enabling line-of-sight stabilization and precise pointing of the downlink laser beam.

Questa tesi presenta un metodo di ricostruzione del segnale di clock (clock recovery) per comunicazioni quantistiche, capace di operare a livelli di potenza ricevuta inferiori a un fotone al secondo e in presenza di rumore ottico avente potenza molto superiore rispetto a quella del segnale di clock. Il clock ottico viene trasmesso unidirezionalmente sul canale di comunicazione, dallo stesso laser che genera il segnale dati; al ricevitore, il clock e il segnale dati vengono rilevati usando un rilevatore a singolo fotone (single-photon detectors). Al trasmettitore e al ricevitore la temporizzazione è distribuita usando free-running clocks. Il segnale di clock è stato sperimentalmente ricostruito, con successo, a photon rate medi pari a 0.1 e 0.01 fotoni/s (equivalenti a -168.9 dBm e -178.9 dBm), misurando SNR pari a -75 dB e -60 dB, rispettivamente e con accuratezza temporale di 70 ps e 348 ps. L’approccio proposto è particolarmente adatto alle comunicazioni quantistiche a lunga distanza, incluse le comunicazioni ottiche in spazio profondo (deep-space optical communications). Oltre alla distribuzione della temporizzazione, esso può anche fungere da segnale di beacon trasmesso dalla Terra per consentire la stabilizzazione line-of-sight e il puntamento preciso di un fascio laser in downlink.