Metrologia a singolo fotone per la Comunicazione Quantistica

La distribuzione quantistica di chiavi crittografiche, comunemente nota come Quantum Key Distribution (QKD) è un sistema di comunicazione sicuro che permette lo scambio di chiavi tra due parti, usate per cifrare e decifrare un’informazione. Il protocollo sfrutta le leggi della meccanica quantistica per lo scambio delle chiavi, che avviene tramite l’invio di quantum bit (qubit). Un intercettatore, per raccogliere informazioni sulla chiave, dovrebbe fare una misura, e quindi perturbare il sistema, introducendo errori nella chiave scambiata, facilmente rilevabili. Una volta rilevata un’intercettazione, la chiave viene scartata, garantendo così, in un sistema ideale, l’assoluta sicurezza del canale di comunicazione. Nella pratica, però, i sistemi reali si discostano dai modelli ideali e possono introdurre delle vulnerabilità nello scambio di chiavi, dal momento che ogni scostamento dal modello ideale può essere sfruttato dall’ intercettatore per ottenere informazioni sulla chiave. Per offrire quindi un certo livello di sicurezza all’utente finale del sistema QKD è necessaria una caratterizzazione metrologica dei parametri fisici legati alle componenti utilizzate nei sistemi QKD reali coinvolti. Il lavoro presentato in questa tesi, svolto all’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) si inserisce in questo contesto. Nella prima parte è stata analizzata l’emissione di luce di backflash da parte di un particolare tipo di rivelatore a singolo fotone chiamato Single-Photon Avalanche Diode (SPAD), ampiamente utilizzato nei sistemi QKD commerciali. In particolare sono stati analizzati detector InGaAs/InP, adatti a rivelare fotoni della banda di lunghezza d’onda telecom, attorno a 1550 nm. Quando uno SPAD rileva un fotone, genera un impulso macroscopico mediante un effetto "a valanga", in modo da registrarne la presenza tramite elettronica di conteggio. Questa valanga ha una certa probabilità di emettere a sua volta un fotone, detto di backflash. Dalla rivelazione dei conteggi di backflash un intercettatore potrebbe ottenere informazioni sui rivelatori implementati e pensare ad un attacco dedicato. Il fenomeno costituisce quindi una vulnerabilità del sistema. Nella seconda parte è stato sviluppato invece un polarimetro che operasse a livello di singolo fotone, con l'obiettivo di caratterizzare la polarizzazione del segnale in uscita da trasmettitori QKD. Una qualsiasi correlazione tra la polarizzazione del fotone e il bit della chiave codificato su di esso potrebbe portare ad una riduzione della sicurezza del sistema di scambio chiavi. L’apparato, sviluppato all’INRIM, sfrutta la tomografia di stato quantistica e il metodo di massima verosimiglianza per ricostruire la matrice densità dello stato quantistico in esame. Per caratterizzare il polarimetro abbiamo misurato la polarizzazione di una sorgente di singoli fotoni a polarizzazione nota e variabile. Dalla matrice densità è possibile ricavare la purezza dello stato misurato e la fidelity tra lo stato preparato e lo stato misurato. Entrambe le figure di merito sono utili a valutare l’accuratezza del polarimetro realizzato, ma anche e soprattutto di caratterizzare sorgenti a singolo fotone di sistemi QKD. Questo lavoro di tesi, inquadrato all’interno del progetto europeo METISQ, pone le basi per stabilire aspetti fondamentali per futuri protocolli standard di caratterizzazione di dispositivi commerciali atti alla QKD.