Quantum communications between Earth and Space

Le persone al giorno d'oggi sono continuamente connesse e ogni giorno maneggiano dati sensibili, rischiando di venire intercettati e truffati. La fisica quantistica si inserisce in questo settore come uno dei campi più promettenti per gli anni futuri, dal computer quantistico, alle comunicazioni ottiche e in particolare la crittografia quantistica (QKD), aiutano lo sviluppo di sistemi incondizionatamente sicuri. La crittografia quantistica è stata la prima applicazione commerciale della fisica quantistica, rappresentando inoltre una soluzione versatile e sicura per la trasmissione di dati in modo incondizionatamente sicuro. Sfruttando le leggi della meccanica quantistica, come il teroema di non clonabilità e il fatto che ogni misura perburba lo stato, è possibile creare una chiave crittografica fra due utenti che consente, sotto alcune condizioni, di comunicare in modo cmatematicamente sicuro. Esistono già da alcuni anni sistemi commerciali di crittogafia quantistica in fibra ottica. Sfortunatamente a causa delle perdite intrinsiche della fibra non è possibile comunicare oltre i $300$ km, fino a quando i ripetitori quantistici non saranno realizzati con alta efficienza. In questo settore si inserisce lo studio presentato in questa tesi, cercando una valida alternativa ai collegamenti in fibra ottica. La naturale estensione dei link quantistici terrestri è rappresentata dalle comunicazioni quantistiche satellitari, dove nonostante i problemi legati all'ambiente di utilizzo (temperatura, pressione, particelle ionizzate, etc) sono presenti parecchi risultati che lasciano ben sperare. Entrando in dettaglio lo studio presentato studia gli effetti della propagazione di un fascio ottico quantistico in atmosfera, in particolare nella condizione di un link quantistico fra Terra e Spazio. In questa prospettiva sono stati individuati come possibili dispostivi i retroriflettori utilizzati nelle misisoni di Laser Raanging, utilizzati solitamente per lo studio della geodesia spaziale. Sfruttando questi satelliti abbiamo ricreato un canale quantistico in down-link dove fosse possibile sperimentare i protocolli quantistici come la QKD. Nonostante le condizioni di lavoro molto sfavorevoli, (alte perdite, attenuazione variabile, puntamento instabile) è stato dimostrato che è possibile inviare nello Spazio un fotone, in un particolare stato quantistico e misurarne le sue caratteristiche. Questo risultato apre la strada alla crittografia quantistica in spazio libero, dimostrando come nonostante ci sia ancora molto strada da fare nell'ambito della fisica quantistica, alcune tecnologie sono mature e pronte per essere implementate in scala globale. In una prospettiva futura questo risultato dimostra come sia possibile immaginare una rete di satelliti quantistici in grado di comunicare con le stazioni base a terra ma anche fra loro. Questo lavoro è stato supportato dal progetto strategico di Ateneo QuantumFuture dell'Università degli studi di Padova, dai fondi ESAGNSS e realizzato sia nei laboratori Luxor del CNR UOS di Padova. I test principali sono stati eseguti nel Telespazio di Matera (ASI) e a Torino nella sede di Thales Alenia Space.