RICERCA ITALIANA     

Studio di fattibilità della realizzazione di un canale di comunicazione quantistica ottica terra-spazio (CCQOTS)

Politecnico di Torino

Abstract

Lo scambio sicuro di informazioni in formato elettronico è uno dei pilastri fondamentali su cui si regge la società attuale. La necessità di proteggere l’informazione da un eventuale intruso ha alimentato da sempre lo studio di nuove tecniche di crittografia. La meccanica quantistica fornisce una risposta definitiva al problema, indipendentemente dalla tecnologia che l’intruso potrebbe utilizzare al fine di intercettare l’informazione.

Le telecomunicazioni quantistiche sono nate in tempi assai recenti. Pur tuttavia molti esperimenti sono già stati effettuati, sia in fibra che in atmosfera. In particolare, in atmosfera, diversi gruppi, in tutto il mondo hanno implementato protocolli di telecomunicazione su scala reale fino ad una distanza massima di 144 km. Tutti questi esperimenti hanno dimostrato, praticamente, che le trasmissioni quantistiche, in atmosfera, sono possibili.
Al fine di ricoprire tutta la Terra con una rete di telecomunicazioni quantistiche, uno scenario di comunicazione Terra-satellite e, successivamente satellite-Terra ricoprirebbe un ruolo fondamentale.
Non di meno, le telecomunicazioni quantistiche si dimostrano essere sicure solamente se le perdite sono inferiori ad una certa soglia, dipendente dal protocollo di comunicazione utilizzato. L'atmosfera è un mezzo che assorbe, scattera ed emette e, in questo senso, interagendo con il segnale che la attraversa, causa perdite al segnale stesso. In secondo luogo, il bit rate >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Marina Mondin Politecnico di TORINO

Obiettivo del Programma di Ricerca

La finalità del progetto e’ duplice: da un lato s’intende realizzare, grazie alla sinergia tra l'unita' di Torino e quella di Bologna, un simulatore atmosferico accoppiato ad un protocollo di distribuzione quantistica di una chiave crittografica come banco di prova di un canale di comunicazione quantistica ottica in atmosfera (CCQO), dall’altro si intende approfondire l’applicazione di tecniche di “information reconciliation” espressamente costruite per il caso della trasmissione in questione.

Entrambi gli scopi sono fondamentali in vista della possibile realizzazione di un canale di comunicazione quantistica terra-spazio.

Infatti, se da un lato alcuni recenti esperimenti “open air”, hanno dimostrato la fattibilità di tale canale in condizioni ideali, dall’altro uno sforzo reale per la realizzazione pratica di un CCQO richiede che esso possa essere operativo non solo in situazioni ideali, ma in varie condizioni meteorologiche, con rate di trasmissione significativi ed elevate disponibilita' ed affidabilita'. Poiche' uno studio sistematico “open air” di varie situazioni climatiche sembra irrealistico e costoso, una precisa simulazione in laboratorio, quale quella da noi proposta, rappresenta un passo fondamentale per raggiungere una precisa comprensione della fruibilita’ e, quindi, della reale fattibilità del CCQO.

Inoltre i dati ottenuti in tale simulazione saranno fondamentali per lo sviluppo di un >>>

Risultati parziali attesi

Il principale risultato atteso e’ la progettazione e realizzazione di un simulatore atmosferico accoppiato ad un protocollo BB84, nonche’ il suo utilizzo per realizzare uno studio sistematico degli effetti atmosferici su un canale di comunicazione quantistica ottica (CCQO) Terra-spazio.

A tale risultato si affianchera’ e colleghera’ la ricerca, sia teorica che pratica usando il dimostratore di cui al punto precedente, su tecniche di "information reconciliation" esplicitamente pensate per applicazioni al CCQO considerato.

Questi due risultati sono, a nostro avviso, del massimo interesse, in quanto l’eventuale realizzazione di un CCQO Terra-spazio e’ al momento un “hot topic” della ricerca sulla comunicazione quantistica ed e’ presa seriamente in esame da differenti agenzie spaziali (tra cui l'Agenzia Spaziale Europe - ESA). Un’eventuale successo di tale tecnologia costituirebbe infatti un importante progresso per avere comunicazioni assolutamente sicure diffuse a livello mondiale, risultato che costituisce una richiesta assai pressante nell’attuale società sempre piu’ basata sulla comunicazione. per questo motivo
uno studio circa la reale fruibilità di tale sistema e’ fondamentale nella presente fase.

Al di la’ di questo risultati principali si attendono anche delle ricadute generali sul “know-how” riguardante i protocolli per CCQO, le simulazioni degli effetti atmosferici, l'applicazione di codici di >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Nell'ultimo decennio un nuovo campo della fisica, l'Informazione quantistica, si è sviluppato con lo scopo di studiare codifica, elaborazione e trasmissione dell'informazione sfruttando le proprietà degli stati quantistici con promettenti vantaggi rispetto ai sistemi tradizionali.
In particolare la comunicazione quantistica (CQ) ha peculiarita' senza analogo classico. Operazioni puramente quantistiche sono, per esempio, la distribuzione quantistica di una chiave crittografica (QKD) [1-4], il teletrasporto quantistico [5], il quantum dense coding [6,7] e l'entanglement swapping.
Questi protocolli puramente quantistici nascono da proprieta' caratterizzanti della meccanica quantistica (MQ), come il principio di incertezza, il principio di sovrapposizione, l'entanglement (ovvero l'esistenza di stati la cui funzione d'onda non e' fattorizzabile in funzioni d'onda di particella singola) ed il teorema no-cloning.
La possibilità di una comunicazione assolutamente sicura, è del massimo interesse per applicazioni nella attuale società basata su una rete di comunicazione diffusa e capillare. Infatti, le caratteristiche specifiche della MQ permettono una dimostrazione di assoluta sicurezza in comunicazioni basate su stati quantistici. Il teorema no-cloning garantisce che una spia non possa copiare uno stato sconosciuto trasmesso attraverso un canale quantistico, e secondo il principio di indeterminazione, ogni >>>