Entanglement-based quantum key distribution systems

The advent of quantum computing poses a severe threat to modern cryptographic infrastructure, since algorithms such as Shor’s algorithm are capable of breaking public-key cryptosystems in polynomial time. To overcome this vulnerability, Quantum Key Distribution (QKD) offers a radical paradigm shift, providing information-theoretic security guaranteed by the laws of quantum physics rather than computational complexity. This thesis presents the experimental realization, characterization, and numerical simulation of an entanglement-based QKD system implementing the BBM92 protocol. The architecture uses a source of polarization-entangled photon pairs generated via Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC) within the C-band. To optimize alignment and manage data acquisition, a dedicated software with a graphical user interface was also developed. The experimental laboratory implementation, carried out using Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs), yielded a Secure Key Rate (SKR) of 3.2 bits/s under an optimized coincidence time window of tcc = 0.68 ns. Under these conditions, the system recorded a Quantum Bit Error Rate (QBER) of 1.6% in the rectilinear (Z) basis and 10.9% in the diagonal (X) basis; this asymmetry highlights the channel’s susceptibility to phase fluctuations along the fiber link. To evaluate the performance of the infrastructure beyond the physical constraints of the laboratory, a numerical simulation tool was developed and validated. The simulations indicate that upgrading the setup with Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors (SNSPDs) would allow the optimal time window to be narrowed to just 25.5 ps, drastically suppressing accidental coincidences. This technological upgrade would achieve a SKR of 602.7 bits/s and allow to extend the potential range of secure quantum communication up to 630 km.

L’avvento del calcolo quantistico rappresenta una grave minaccia per le moderne infrastrutture crittografiche, poiché algoritmi come quello di Shor sono in grado di violare i sistemi a chiave pubblica in tempo polinomiale. Per superare questa vulnerabilità, la Quantum Key Distribution (QKD) offre un radicale cambio di paradigma radicale, garantendo una sicurezza teorico-informativa basata sulle leggi della fisica quantistica anziché sulla complessità computazionale. Questa tesi presenta la realizzazione sperimentale, la caratterizzazione e la simulazione numerica di un sistema QKD basato sull’entanglement che implementa il protocollo BBM92. L’architettura utilizza una sorgente di coppie di fotoni entangled in polarizzazione, generati tramite Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC) nella banda C. Per ottimizzare l’allineamento e gestire l’acquisizione dei dati,è stato inoltre sviluppata un software dedicato dotato di un’interfaccia grafica (GUI). L’implementazione sperimentale in laboratorio, effettuata utilizzando diodi a valanga a singolo fotone (Single-Photon Avalanche Diodes, SPAD), ha permesso di raggiungere un Secure Key Rate (SKR) di 3.2 bits/s, ottimizzando la finestra di coincidenza temporale a tcc = 0.68 ns. In queste condizioni, il sistema ha registrato un Quantum Bit Error Rate (QBER) dell’1.58% nella base rettilinea (Z) e del 10.90% nella base diagonale (X); questa asimmetria evidenzia la suscettibilità del canale alle fluttuazioni di fase lungo il collegamento in fibra ottica. Per valutare le prestazioni dell’infrastruttura oltre i limiti fisici del laboratorio, è stato sviluppato e validato uno strumento di simulazione numerica. Le simulazioni indicano che il passaggio a rivelatori a nanofili superconduttori (SNSPD) consentirebbe di restringere la finestra temporale ottimale a soli 25.47 ps, eliminando drasticamente le coincidenze accidentali. Questo specifico upgrade tecnologico permetterebbe di raggiungere un SKR di 602.66 bits/s e aumenterebbe la perdita di canale massima tollerabile da 5 dB a ben 63 dB, estendendo la portata potenziale della comunicazione quantistica sicura fino a 630 km.