Space Quantum Communication

The primary role played by communication in our society gives importance to the problem of securely transmitting sensitive information. Quantum physics can be exploited to solve this problem in a more secure way than it is possible by using classical protocols. The application of quantum physics to communication tasks is the basis of the new quantum communication field, of which quantum cryptography represents the most successful achievement. Quantum communication, however, suffers the presence of losses much more than classical communication. The high level of losses in fiber-based systems, limiting the maximum transmission distance to a few hundred kilometers, makes it necessary to find new ways to go further. A promising solution for extending it to a worldwide scale seems to be the use of satellites. This thesis studies some aspects of quantum communication from an experimental point of view. It presents both the study in the laboratory of quantum communication protocols and the experimental characterization of the satellite-ground channel by using a simulated space source exploiting corner-cube retro-reflectors on geodesic satellites. In addition to this, it also deals with some more technical issues of the problem, such as the construction of a high brilliance polarization-entangled photon source and the improvement of the receiving station for space quantum communication at the Matera Laser Ranging Observatory.

Il ruolo predominante svolto dalla comunicazione nella nostra società rende cruciale il problema di trasmettere in modo sicuro informazioni sensibili. La fisica quantistica può essere sfruttata per risolvere questo problema a un livello di sicurezza irraggiungibile dai protocolli classici. L'applicazione della fisica quantistica al problema della comunicazione è la base del nuovo campo della comunicazione quantistica, di cui la crittografia quantistica rappresenta il maggiore successo. Tuttavia, la comunicazione quantistica è molto più sensibile alle perdite nel canale rispetto alla comunicazione classica. L'alto livello di perdite dei sistemi in fibra limita a poche centinaia di chilometri la massima distanza che può essere coperta, rendendo necessaria la ricerca di un nuovi metodi per raggiungere maggiori distanze. Una soluzione promettente per risolvere questo problema ed estendere la comunicazione quantistica su scala mondiale sembra essere l'impiego di satelliti. Questa tesi studia alcuni aspetti della comunicazione quantistica da un punto di vista sperimentale. Presenta sia lo studio in laboratorio di alcuni protocolli di comunicazione quantistica, sia la caratterizzazione sperimentale del canale spaziale simulando una sorgente nello spazio usando il segnale riflesso dai retro-riflettori presenti sui satelliti di geodesia. Inoltre, presenta anche alcuni risultati tecnici come la costruzione di una sorgente di fotoni entangled in polarizzazione caratterizzata da alto tasso di produzione e il lavoro di miglioramento della stazione ricevente per la comunicazione quantistica spaziale presso il Matera Laser Ranging Observatory.