Il progetto Quantum Key Distribution High-Rate Detector Pre-Development, realizzato in collaborazione con la European Space Agency (ESA) ha i seguenti obiettivi:
- Sviluppare un prototipo di ricevitore a singolo fotone per una stazione a terra con un alto tasso di fotoni ed un'elevata efficienza quantica alla lunghezza d’onda di 800 nm, e i relativi sistemi QKD (Quantum Key Distribution), al fine di aumentare significativamente il tasso di chiavi segrete scambiate.
- Produzione e test del dimostratore del ricevitore a fotone singolo con un sistema QKD che dimostra il vantaggio di un elevato tasso di chiavi QKD, collaborando (se necessario) con un laboratorio con un'adeguata attrezzatura di misurazione.
L'obiettivo principale di questo progetto è il raggiungimento di tassi di chiavi segrete elevati con sistemi QKD basati su sorgenti di impulsi deboli. Attualmente, il fattore limitante nei sistemi di distribuzione QKD spazio-terra è la larghezza di banda del rilevatore di singoli fotoni a terra, limitando la massima frequenza di ripetizione delle sorgenti dallo spazio. Nell'ambito di questa attività la risoluzione temporale del rilevatore sarà migliorata per aumentare il tasso di rivelazione al livello dei GHz. Questo progetto si concentrerà principalmente sullo sviluppo di un ricevitore terrestre. Tuttavia, si includerà anche la fattibilità di un rilevatore idoneo per lo spazio. I risultati potranno essere utilizzati per un'attività SAGA di follow-up riguardante il monitoraggio dei parametri quantistici del trasmettitore QKD.
Nel dettaglio, il Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegegneria del Politecnico di Milano progetterà, realizzerà e testerà un nuovo circuito integrato per il rilevamento di singoli fotoni ad alta velocità. Il rilevatore a fotone singolo sarà un array di SPAD (single-photon avalanche diode) e si prevede che sarà sviluppato in una tecnologia CMOS 3D stacked, combinando un livello logico in una tecnologia molto scalata, un livello SPAD ottimizzato per la rivelazione dei fotoni e un terzo livello costituito da microlenti. Come approccio alternativo e più conservativo, verrà sviluppato in parallelo un array di SPAD in tecnologia planare CMOS, dove sia i rivelatori che l'elettronica si trovano nello stesso chip, con lo svantaggio di una minore efficienza di raccolta a vantaggio di una più ampia disponibilità di tecnologie CMOS.
