Advances in Quantum Communications for Fundamental Studies and Applications

Quantum Communication is a groundbreaking technology that promises to revolutionize our current telecommunication systems. However, being a relatively new field, many challenges are yet to be confronted. This Doctoral thesis is dedicated to the advancement of Quantum Communications for fundamental studies and applications. Here, satellite-based, free-space and optical-fiber links are exploited to test and develop different Quantum Communication protocols. Different technologies, in particular free-space optics, fiber-based components and silicon photonic integrated circuits, are adopted to manipulate the quantum states of light. Different types of studies are performed ranging from fundamental tests of physics, to technological advancements, up till the development of fully-functioning Quantum Key Distribution systems. The work described in this thesis, I hope, represents a substantial contribution in the effort to transition Quantum Communications from the laboratories to a wide-spread deployment in future telecommunication infrastructures.

La Comunicazione Quantistica è una tecnologia all'avanguardia che promette di rivoluzionare i nostri sistemi di telecomunicazione. Ciononostante, essendo un campo di ricerca relativamente nuovo, molte sfide devono essere ancora affrontate. Codesta tesi è dedicata allo sviluppo delle Comunicazioni Quantistiche per studi fondamentali e applicazioni. Vengono sfruttati collegamenti satellitari, a spazio libero e in fibra ottica per collaudare e sviluppare protocolli di Comunicazione Quantistica. Diverse tecnologie, in particolare, ottica a spazio libero, componenti in fibra ottica e circuiti di fotonica integrata in silicio, vengono adoperati per manipolare gli stati quantistici della luce. Sono stati condotti diverse tipologie di studi, da test fondamentali di fisica, a sviluppi tecnologici, fino alla creazione di sistemi completamente funzionanti di Scambio Quantistico di Chiave. Certamente, un obiettivo futuro consiste nel proiettare le Comunicazioni Quantistiche dai banchi ottici dei laboratori a una larga adozione nelle infrastrutture di telecomunicazione. Spero, ergo, che i lavori descritti in questa tesi ne possano rappresentare un contributo sostanzioso.