Quantum Communications: State Characterization and System Design

L’informazione quantistica sar`a essenziale nello sviluppo delle reti di futura generazione per una vasta gamma di applicazioni che coinvolgono, nel dominio quantistico, il sensing, la crittografia, la computazione, e le reti. La supremazia delle tecnologie quantistiche si basa sull’utilizzo delle proprietà peculiari della meccanica quantistica, tra cui la sovrapposizione di stati, l’entanglement e il principio di indeterminazione. Questo richiede quindi lo sviluppo di sistemi e reti di comunicazione in grado di sfruttare appieno le potenzialità della meccanica quantistica. La progettazione di sistemi e reti di comunicazione quantistici pone nuove sfide rispetto alla controparte classica. Da un lato, a livello di sistema, è necessario caratterizzare nuove classi di stati non classici non Gaussiani per poter progettare sistemi di comunicazione quantistici innovativi, in grado di raggiungere nuovi livelli di prestazioni. Dall’altro lato, a livello di rete, la fragilità dei sistemi quantistici richiede lo sviluppo di nuove metodologie per l’analisi e la progettazione di reti quantistiche. Gli obiettivi di questa tesi di dottorato sono: (i) caratterizzare una importante classe di stati non classici non Gaussiani, noti come photon-added coherent states (PACSs); (ii) introdurre l’utilizzo di stati non classici non Gaussiani nei sistemi di comunicazione quantistici; e (iii) sviluppare un framework per analizzare e progettare le reti per la distribuzione di chiavi quantistiche in presenza di relay intermittenti. Nella tesi si dimostra che l’utilizzo di stati non classici non Gaussiani può migliorare significativamente la discriminazione di stati quantistici. Inoltre, si dimostra che un’analisi globale dei protocolli per la distribuzione di chiavi quantistiche porta a definire nuove strategie per il progetto delle reti. I risultati di questa tesi evidenziano l’utilità degli stati non classici non Gaussiani per i sistemi di comunicazione quantistici ed evidenziano la necessità di definire metodi olistici per l’analisi di reti quantistiche.

Quantum information science is essential in the development of future-generation networks for a variety of new applications in the quantum domain involving sensing, cryptography, computing, and networking. The supremacy of quantum technologies relies on the exploitation of unique properties in quantum mechanics, such as superposition, entanglement, and indeterminacy. This calls for the design of communication systems and networks able to unleash the full potentialities of quantum mechanics. The design of quantum communication systems and networks poses new challenges compared to classical ones. On the one side, at system level, the characterization of new classes of non-classical non-Gaussian states is needed for the design of innovative quantum communication systems with unprecedented performance. On the other side, at network level, the fragility of quantum systems requires the development of new methodologies for the analysis and the design of quantum networks. The main objectives of this thesis are as follows: (i) characterize an important class of non-classical non-Gaussian states, namely photon-added coherent states (PACSs); (ii) establish the use of non-classical non-Gaussian states for quantum communication systems; and (iii) design a framework for the analysis of quantum key distribution (QKD) networks in the presence of a realistic intermittent relaying. It is shown that the use of non-classical non-Gaussian states can significantly improve the performance of quantum state discrimination. Moreover, it is also shown that a comprehensive analysis and the design of a QKD in the presence of intermittent relaying leads to new network design strategies. The findings of this thesis reveal the utility of non-classical non-Gaussian states for quantum communication systems and highlights the need for an holistic analysis of quantum networks.