Practical implementation of discrete and continuous variable Quantum Key distribution in passive optical networks

The imminent advent of quantum computing threatens classical cryptography, making Quantum Key Distribution (QKD) essential to guarantee the unconditional security of future networks. This thesis compares the Discrete-Variable (DV) and Continuous-Variable (CV) paradigms within access infrastructures, specifically Passive Optical Networks (PONs). Their coexistence with classical channels is hindered by severe Spontaneous Raman Scattering (SpRS) noise which, combined with the losses introduced by optical splitters, drastically degrades system performance. The study rigorously evaluates both architectures in the finite-key regime, overcoming idealized asymptotic assumptions to quantify the real statistical uncertainties of practical transmissions. Through a dedicated MATLAB simulator equipped with a Graphical User Interface (GUI), the Secret Key Rate (SKR) was evaluated as a function of the transmitted block size, spectral allocation and distance. The results highlight a clear technological trade-off. The DV approach, although limited to narrower bands due to its sensitivity to Raman noise, emerges as the most robust solution for high-density networks, supporting up to 32 users over 20 km. A critical exception is represented by the XG-PON standard, where such performance collapses. Conversely, the CV approach leverages coherent detection to filter Raman interference, providing significantly higher generation rates and requiring a notably smaller transmitted block size to initiate secure transmission. Ultimately, DV-QKD confirms itself as the optimal choice for networks with a high number of users, whereas CV-QKD dominates the XG-PON and low number of users scenarios.

L'imminente avvento della computazione quantistica minaccia la crittografia classica, rendendo la Distribuzione di Chiave Quantistica essenziale per garantire la sicurezza incondizionata delle reti future. Questa tesi confronta i paradigmi a Variabile Discreta e a Variabile Continua all'interno delle infrastrutture di accesso, nello specifico le reti ottice passive. La loro coesistenza con i canali classici è ostacolata dal severo rumore di Scattering Raman Spontaneo che, combinato con le perdite introdotte dagli splitter ottici, degrada drasticamente le prestazioni del sistema. Lo studio valuta rigorosamente entrambe le architetture nel regime a chiave finita, superando le idealizzate assunzioni asintotiche per quantificare le reali incertezze statistiche delle trasmissioni pratiche. Tramite un simulatore MATLAB dedicato, dotato di interfaccia grafica, è stato valutato il tasso di generazione della chiave segreta in funzione della dimensione del numero di stati inviati, dell'allocazione spettrale e della distanza. I risultati evidenziano un netto compromesso tecnologico. L'approccio a Variabile Discreta, seppur limitato a bande più ristrette per la sensibilità al rumore Raman, emerge come la soluzione più robusta per reti ad alta densità, supportando fino a 32 utenti su 20 km. Un'eccezione critica è rappresentata dallo standard XG-PON, dove tali prestazioni collassano. Al contrario, la Variabile Continua sfrutta la rivelazione coerente per filtrare l'interferenza Raman, fornendo tassi di generazione nettamente superiori e richiedendo una dimensione del blocco inviato notevolmente inferiore per avviare la trasmissione sicura. In definitiva, la Variabile Discreta si conferma la scelta ottimale per le reti con elevato numero di utenti, mentre la Variabile Continua domina gli scenari XG-PON e con ridotto numero di utenti.