Beam Propagation in Quantum Communication

Parole chiave: Comunicazione Quantistica (QC), propagazione di fasci ottici nello spazio e nello spazio libero, rete di comunicazione ottica quantistica (OQCN), Distribuzione di chiavi quantistiche (QKD), costellazione satellitare Galileo, turbolenza atmosferica, studi di fattibilita’ prototipo quantistico SaNe-QKD Il fine della mia tesi e’ di dimostrare la fattibilita’ della comunicazione quantistica nello spazio libero e nello spazio, evidenziando come la costellazione Galileo di ESA potrebbe essere potenziata in una rete di comunicazione ottica quantistica (OQCN) dall’impiego del prototipo compatto e a basso costo SaNe-QKD. Considerando la tabella 2 secondo le linee guida di [70] (2012) per l’ analisi dell’Informazione Quantistica r della Crittografia Quantistica Europea, tre obbiettivi a lungo termine e cruciali sono realizzati. (Comunicazione Quantistica satellitare, oltre 1000 chilometri di crittografia quantistica spaziale, rete quantistica multi-nodo), con riferimento alla costellazione Galileo: il nuovo OQCN sara’ in grado di realizzare comunicazione quantistica fra satelliti della stessa costellazione in avvicinamento in modalita’ di multi-nodo, e uno schema di Distribuzione di Chiave Quantistiche Quantum Key Distribution sara’ realizzato definitivamente su distanze superiori ai 1000 chilometri. La mia tesi riassume tre anni di ricerca presso i Laboratori Luxor di Padova. E’ dedicata a due argomenti centrali, che sono due aspetti duplici di uno stesso argomento: la Comunicazione Quantistica sia a terra che nello spazio, con la finale realizzazione di un OQCN (network di comunicazione quantistica) in cui concretizzare le conoscenze acquisite nel campo della quantistica. I collegamenti ottici fra la isole Canarie rappresentano il peggiore scenario per gli esperimenti di Comunicazione Quantistica, un banco di prova ideale per investigare le propieta’ del fascio ottico in vista delle applicazioni spaziali, dove aspetti cruciali sono le enormi distanze che i fasci di comunicazione devono coprire. La tesi si divide in due parti complementari: Ground beam propagation (propagazione terrestre di fasci ottici) la propagazione di fasci ottici nello spazio libero lungo link orizzontali alle isole Canarie, realizzando grandi distanze (143 chilometri) e avendo come scopo l 'analisi (della propagazione del fascio) in un mezzo turbolento.I risultati evidenziano configurazioni ottiche e specifiche al fine di realizzare un efficace e stabile link di comunicazione. Queste ricerche sono parte del progetto strategico Quantum Future dell’ Universita’ di Padova, "il salto nel paradigma quantistico" (The shift in the Quantum paradigm) Space beam propagation (propagazione spaziale di fasci (ottici)). La seconda parte e’ dedicata alla propagazione spaziale di fasci ottici, riguardando design e allestimento del prototipo quantistico SaNe-QKD al fine di interfacciarlo con il prototipo di comunicazione ottica (realizzato da Thales Alenia Space). Il sistema risultante, SaNe-QKD OPT, sara’ posizionato a bordo dei satelliti Galileo per realizzare link ottici quantistici inter-satellitari. Simulazioni riguardo i link inter-satellitari, gli aspetti della topologia del network realizzato e la valutazione della chiave utilizzata, hanno permesso di ottenere risultati e specifiche come la lunghezza d’ onda operativa e l’ apertura dei telescopi da usare per le comunicazioni fra satelliti. Ne segue che il prototipo SaNe-QKD e’ stato allestito ed e’ qui mostrato in ogni sua parte. Queste ricerche sono parte del progetto "Applicazione di Link di comunicazione ottica quantistica a GNSS" della Agenzia Spaziale Europea (ESA). La mia tesi e’ divisa in quattro capitoli come segue: Propagazione terrestre di fasci (Ground beam propagation Capitolo 1 introduce una panoramica sui principali concetti di fotonica, modelli atmosferici e parametri di turbolenza, ottica, fibre ottiche e telescopi, concetti richiamati durante l’ esposizione. Il telescopio Newtoniano e’ analizzato al fine di indagare il fascio ottico che giunge al prototipo SaNe-QKD per fini spaziali e il telescopio Canario e’ analizzato per realizzare un sistema ottico capace di implementare un sistema di l’ inseguimento del centroide. Simulazioni con Zemax sono presentate per entrambi i telescopi al fine di controllare le aberrazioni e per motivi di collimazione del sistema ottico. Per il Newtoniano il campo fuori asse, coma e curvatura di campo sono rivelati. Per il telescopio Canario aberrazione cromatica ed inoltre è descritto lo schema dell’ esperimento di propagazione del fascio ottico in spazio ibero nelle isole Canarie con controllo di fasci co-propaganti. I modelli di turbolenza atmosferica e di Hughnagel Valley model sono poi brevemente riportati. Saranno utilizzati negli esperimenti alle isole Canarie su 143 chilometri e nel capitolo 3 saranno richiamati per simulazioni terra-spazio di comunicazione quantistica fra trasmettitore/ricevitore a terra e satellite. Capitolo 2. E’ noto che un modo ottico non confinato che si propaga in un mezzo turbolento e’ soggetto a distorsioni. In Comunicazione Quantistica l’ informazione e’ codificata e trasmessa sotto forma di un treno di singoli impulsi con media di circa un fotone per impulso; segue che le perdite del link di un fascio che si propaga in atmosfera cresce con la distanza; di contro non possono essere ridotte aumentando la potenza del segnale (ottico) come nelle comunicazioni ottiche classiche. Di conseguenza diventa cruciale investigare la propagazione di fasci ottici su grandi distanze, al fine di analizzare la statistica del fotone, le trasformazioni del fascio dovute alla propagazione terrestre al fine di precludere il disaccoppiamento del fascio fra trasmettitore e ricevitore. La turbolenza introduce due contributi rispetto alla dimensione dei vortici di turbolenza ("eddies" [51] [52]) in relazione al fascio ottico: • "Beam wandering" (ballamento del fascio ottico), che ha luogo quando un fascio laser e’ rifratto da vortici di turbolenza con dimensione maggiore del fascio ottico causando lo spostamento del centro del fascio (centroide). • "Beam spreading" (allargamento del fascio), che e’ dovuto al fascio ottico rifratto da vortici di turbolenza di dimensione inferiore al diametro del fascio. L’ allargamento su breve termine ("short-term") e’ un contributo addizionale all’ allargamento tipico della propagazione in spazio libero (in assenza di effetti di turbolenza). Questi effetti sono legati al tempo di esposizione: su scale temporali brevi il balla- mento del fascio e’ l’ effetto dominante mentre su scale temporali lunghe l’ effetto dominante e’ l’ allargamento del fascio. Utilizzando la turbolenza come una risorsa, la ricerca sulla propagazione di fasci ottici in link ottici di comunicazione su spazio libero apre i test del nuovo allestimento, il telescopio "custom" Canario (capitolo 1). Il gruppo di ricerca ha realizzato due esperimenti di link in propagazione in spazio libero. Il primo, un test a corta distanza (circa 20 chilometri) fra Asiago e Monte Grappa (Italia) per testare il telescopio Canario e controllare i sistemi di comunicazione alla parte del trasmettitore; il secondo , un link a lunga distanza (143 chilometri) fra le isole di La Palma e Tenerife (Isole Canarie) per esperimenti di propagazione in spazio libero con severe condizioni di turbolenza. Sviluppo e analisi dei dati sono presentati, evidenziando le metodologie e la caratterizzazione della turbolenza in link terrestri ottici quantistici. I risultati della propagazione di singoli, doppi fasci lungo 143 chilometri hanno di- mostrato che e’ possibile ottimizzare un sistema ottico al fine di ricostruire il diametro del fascio di "lungo termine" ("long term") e da tecniche di co-propagazione dei fasci le perdite dei link possono essere ridotte. Cio’ e’ promettente poiche’ le perdite dei link sono un aspetto cruciale in Comunicazione Quantistica, quando in un canale "noisy"(rumoroso) il segnale quantistico (l’ informazione codificata in singoli fotoni) non puo’ essere migliorata mediante l’ aumento della potenza del segnale. Inoltre abbiamo osservato che la statistica di arrivo dei singoli fotoni nello spazio libero (143 chilometri di link ottico) conferma la trasformazione da Poissoniana a log-normale della distribuzione (statistica della sorgente): c” inoltre evidenza di sub intervalli consecutivi di basse perdite, cosa che permette di aprire uno scenario di ricerca sui fenomeni di turbolenza come miglioramento delle tecniche di ("signal to noise") miglioramento del rapporto segnale-rumore. Propagazione spaziale di fasci (Space beam propagation) . Capitolo 3 secondo le richieste del progetto dell’ Agenzia Spaziale europea (ESA) sono riportati gli studi di fattibilita’ per l’ applicazione della Comunicazione Quantistica nella costellazione Galileo. Il capitolo inizia con una panoramica sui meriti della Comunicazione Ottica (rate di scambio dati, riduzione peso e consumi, compattezza,..) evidenziando che la sicurezza (intrinseca) e’ un valore aggiunto che solo la controparte quantistica puo’ fornire. Il capitolo inizia con una breve parte che richiama la meccanica orbitale dei satelliti, In seguito si continua con simulazioni terra-spazio richiamando le simulazioni presenti in letteratura xi propagazione di fasci ottici terra-spazio e spazio-terra attraverso l’, lo studio di fattibilita’ mostra purtroppo che la costellazione Galileo puo’ relizzare solo link di comunicazione inter satellitare poiche’ atmosfera e quota dei satelliti ne impediscono ogni trasmissione di singolo fotone con la presente tecnologia. Comunque i risultati delle simulazioni di propagazione di fascio ottico fra satelliti mostrano che le enormi distanze spaziali possono essere superate (i requisiti derivati sono di diametro del telescopio <20 cm e di lunghezza d’operativa <532nm) e gli intervalli temporali entro cui realizzare la comunicazione quantistica possono essere calcolati: rispetto ad un satellite di riferimento di differente piano orbitale, l’ inter- vallo temporale in cui le distanze interstellari sono entro 15000 chilometri sono • Per il satellite chiamato tre di circa satellite 176 minuti • Per il satellite chiamato due di circa satellite 168 minuti In seguito i moti relativi dei satelliti che giacciono in differenti piani orbitali mostrano che e’ possibile comunicare fra due satelliti che sono a turno piu’ vicini, ottenendo apprezzabili rate di comunicazione: gli intervalli di distanza in cui calcolare i valori di "raw key rate" sono 6000,10000 e 19000 chilometri, e i migliori valori sono (18M bits/s aa 6600 km, relativamente a bassi valori di attenuazione) sono ottenuti per un telescopio di diametro di 50cm e lunghezza d’ onda di 50nm, mentre i peggiori valori di "raw key rates" (2.2 Kbits/s a 6600 chilometri, in relazione a maggiori valori di attenuazione) si hanno per un telescopio di 20cm e lunghezza d’di 800 nm. Infine, la sicurezza dell’odierna societa’ basata sull’ informazione e’ di fondamentale importanza: il Network Galileo (Optical Quantum Communication Network) garantira’ la sicurezza intrinseca dello scambio di chiavi quantistiche, libero da attacco PN entro una distanza inter-satellitare definita dallo schema di Decoy. Dopo un breve richiamo al modello per un sistema di Comunicazione Quantistica, simulazioni in merito al "key rate" (tasso di scambio di chiavi) sono mostrate nella sezione finale, mostrando che fissate lunghezza d’ onda e distanze interstellari, maggiori sono le aperture dei telescopi maggiori sono i valori di "key rate" ottenuti. Allo stesso tempo abbiamo osservato che piu’ corte lunghezze d’ onda operative presentano maggiori valori di "key rate", assicurando che in merito alla costellazione Galileo OQCN (Optical Quantum Communication Network) gli schemi di decoy possono essere applicati al fine di battere l’ attacco PNS, sui possibili link di comunicazione, in relazione al range di distanza (della comunicazione), alla lunghezza d’ onda coperta e all’ apertura del telescopio. Dopo un breve richiamo al modello per un sistema di Comunicazione Quantistica, simulazioni in merito al "key rate" sono mostrate nella sezione finale, evidenziando che considerando le lunghezze d’ onda e le distanze di propagazione del fascio, grandi aperture presentano elevati valori di "key rate". Allo stesso tempo abbiamo osservato che a corte lunghezza d’ onda operativa presentano maggiori valori di "key rate". Allo stesso tempo abbiamo osservato che corte lunghezze d’ operative presentano maggiori valori di "key rate" assicurando che in merito a Galileo OQCN (Optical Quantum Communication Network) gli schemi di decoy possono essere applicati al fine di battere l’ attacco PNS sui possibili link di comunicazione in relazione alla distanza coperta, la lunghezza d’ onda operativa scelta e l’ apertura del telescopio. Capitolo 4 Presentiamo un riassunto (introduttivo) riguardo ai risultati dello studio di fattibilita’ sull’ applicazione di link di comunicazione Ottici Quantistici in relazione al sistema globale satellitare (GNSS Galileo): per un network basato sulla Distribuzione di Chiavi Quantistiche inter-satellitare abbiamo derivato nel passato capitolo alcune specificazioni riguardo alla selezione della lunghezza d’ onda medi- ante una analisi del fascio che si propaga al di fuori dell’ atmosfera per telescopi di diametro fissato e per lunghezze d’ onda determinate, mostrando che decrescendo la lunghezza d’onda e aumentando il raggio del telescopio la dimensione del fascio al ricevitore si riduce e cosi’ l’ attenuazione, mentre il rapporto segnale rumore SNR aumenta. Considerato il moto del sistema Galileo GNSS, abbiamo anche mostrato alcune simulazioni in MATLAB per valutare gli intervalli temporali in cui due moduli spaziali raggiungono la minima distanza fra di loro, al fine di investigare la fattibilita’ del sistema di Link di Comunicazione Ottico Quantistica (OQL) e valutare le attese performance (rese) in termini di lunghezze delle chiavi (crittografiche) raggiungibili. In questo capitolo la chiave segreta finale attesa e’ derivata (considerando il "raw key rate", il numero medio di fotoni per qubit in uscita dal trasmettitore, l’ efficienza di Distribuzione di Chiavi Quantistiche, l’ attenuazione dei link di spazio libero, l’ attenuazione dovuta ai rivelatori dalla parte del ricevitore , il QBER) e il numero di chiavi "sifted" (esaminate/analizzate) richieste contro il QBER che deve essere a disposizione del trasmettitore e del ricevitore, poi la trasmissione a livello quantistico e la fase di "sifting" (esame/analisi), sono anche valutate, al fine di poter esaminare la chiave segreta di desiderata lunghezza. (Assunti valori di attenuazione fra -40 dB e -45 dB per il canale quantistico). Sono di seguito descritti il prototipo quantistico SaNe-QKD in ogni sua parte, il protocollo di Distribuzione di Chiavi Quantistiche utilizzato B92, il trasmettitore e il ricevitore nel suo arrangiamento opto-meccanico con le dedicate interfacce per mettere in comunicazione il modulo quantistico col modulo ottico costruito da Thales Alenia Space. Infine i test di Proof of Concept Demonstration (Prova della Dimostrazione del Concetto) per la parte quantistica sono descritti