Field-Programmable Gate Array (FPGA) technology offers fundamental features for the realization of high-speed, real-time and deterministic-evolution systems. As a matter of fact, its usage is widespread in Quantum Key Distribution (QKD) and Quantum Random Number Generation (QRNG) devices. These two technologies exploit the quantum properties of light to realize, respectively, a secure exchange of cryptographic keys and the generation of random numbers.

In order to realize such system, it is necessary to generate and/or read-out precise sequences of synchronous and asynchronous electrical pulses, interfacing the optical setup. As an FPGA design can deal with low-level digital hardware components, it represents the best solution (if not mandatory) for such implementations.
Furthermore, pushing the frequency rates towards the GHz domain and integrating the FPGA chip with a CPU counterpart, the so-called Embedded System or System-on-a-Chip (SoC), can bring to a relevant boost into the performances of QKD/QRNG devices.

The aim of the thesis is to study and design FPGA-based system for Quantum Key Distribution, Satellite Quantum Communication and Quantum Random Number Generation systems. The development can be carried out either on Zynq-based boards or on the more recent Ultrascale-based boards. The design environment will be Vivado-SDK-VITIS (distributed by Xilinx) which requires the knowledge of VHDL and/or C/C++ languages (such languages might also be learned during the thesis work).

The specific application will be discussed with the student also according to his/her studies and career. 

The competences that will be acquired during the thesis include digital electronics/FPGA/Embedded Systems design and development as well as basis of Quantum Information and Communications.

Future perspectives can include either a further continuation studying FPGA and Quantum Information or a career in the field of digital electronics.

The thesis, carried out within the QuantumFuture research group, will include an initial part dedicated to theoretical studies and preparation, followed by the experimental work, compatible with the CFU (ECTS credits) required for a master thesis.

Knowledge on Quantum Mechanics are preferred but not mandatory (they can be learned during the thesis, if required).

The compatible master’s degree programmes are the ones delivered by the Department of Information Engineering and by the Department of Physics and Astronomy.

If you are interested, please get in touch with Andrea Stanco, andrea.stanco@unipd.it

----Italian version----

La tecnologia dei Field Programmable Gate Array (FPGA) offre caratteristiche essenziali alla realizzazione di sistemi ad alta velocità, real-time e ad evoluzione deterministica. Ne viene fatto largo uso nei sistemi di Quantum Key Distribution (QKD) e di Quantum Random Number Generation (QRNG). Queste due tecnologie sfruttano le proprietà quantistiche della luce per realizzare, rispettivamente, lo scambio sicuro di chiavi crittografiche e la generazione di numeri casuali.  

Per realizzare tali sistemi è necessario poter generare e/o interpretare delle ben precise sequenze di impulsi elettrici sincroni e asincroni che si interfacciano con il setup ottico. Un design FPGA, permettendo di lavorare con componenti hardware digitali a basso livello, è la soluzione più adatta, se non addirittura necessaria, per questo tipo di implementazioni. 

La possibilità inoltre di portare questi segnali nel range di frequenze del GHz e l'integrazione del chip FPGA con una controparte CPU, cioè un Sistema Embedded o System-on-a-Chip (SoC), rappresentano un miglioramento molto importante per le performance dei sistemi QKD/QRNG. 

Lo scopo della Tesi è di studiare e sviluppare sistemi FPGA-based per applicazioni di Quantum Key Distribution, Satellite Quantum Communication e Quantum Random Number Generation. Lo sviluppo potrà essere fatto sia su schede con chip Zynq sia su schede con i più recenti chip Zynq di tipo Ultrascale. L'ambiente di sviluppo sarà Vivado-SDK-VITIS (distribuito da Xilinx) per cui sarà richiesta la conoscenza (oppure l'apprendimento in itinere) dei linguaggi VHDL e/o C/C++.

L'esatto dettaglio applicativo verrà concordato con lo/la studente/studentessa compatibilmente anche con il percorso di studio del/della candidato/a. 

Le competenze che verranno sviluppate nella Tesi comprendono le basi di sviluppo di Elettronica Digitale/FPGA, di Sistemi Embedded e le basi di Quantum Information e Communication.  

Le prospettive comprendono sia la prosecuzione della carriera di formazione in FPGA e Quantum Information che il settore industriale dell'Elettronica Digitale. 

La Tesi, che si inquadra nel gruppo di ricerca QuantumFuture, prevede un breve studio teorico seguito da un lavoro sperimentale, compatibile con i CFU previsti per la tesi. 

Conoscenze di meccanica quantistica sono preferibili ma non obbligatorie (possono essere apprese in itinere se necessario).

I corsi di laurea magistrale adatti alla proposta di tesi sono quelli erogati dal Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione o dal Dipartimento di Fisica e Astronomia.

Se interessati, contattare Andrea Stanco, andrea.stanco@unipd.it