Classical processing algorithms for Quantum Information Security

In questa tesi si mostra come la combinazione tra la fisica quantistica e la teoria dell'informazione permetta di realizzare protocolli all'avanguardia per la sicurezza dell'informazione. Si considerano in particolare due specifiche applicazioni: la randomness extraction per generatori quantistici di numeri casuali e gli algoritmi di processing classici nel contesto della crittografia quantistica. Focalizzando lo studio sugli sviluppi pratici delle menzionate applicazioni, si descrive anzitutto in dettaglio l'implementazione di un randomness extractor per un generatore quantistico di numeri casuali ad uso commerciale, e si valutano le sue prestazioni sulla base della teoria dell'informazione. Quindi, ci si concentra sulla crittografia quantistica nello specifico scenario sperimentale dei canali quantistici in spazio libero. Ad oggi, infatti, sono disponibili soluzioni commerciali con canali quantistici in fibra ottica, che sono però condizionate da un'alta complessità infrastrutturale e da un elevato costo economico. La crittografia quantistica in spazio libero, al contrario, permette una maggior flessibilità, sia per link terrestri che per link satellitari, nonostante essa soffra di perdite e rumore più elevati al ricevitore. Attraverso la realizzazione di vari esperimenti su link di diversa lunghezza e con diverse condizioni di canale, se ne dimostra la fattibilità. In particolare, dopo un'accurata analisi dei protocolli di correzione d'errore, si considerano gli effetti della lunghezza finita delle chiavi sul processo di distillazione. Inoltre, si propone un algoritmo innovativo di selezione adattiva ed in tempo reale dei dati che, sfruttando la turbolenza del canale come risorsa, permette di estendere l'applicabilità della crittografia quantistica a nuovi livelli di rumore. Utilizzando un software per il processing classico ottimizzato per lo scenario considerato, i risultati ottenuti sono quindi analizzati e validati, dimostrando che la sicurezza quantistica dell'informazione può essere garantita in condizioni realistiche con link quantistici in spazio libero. %In questa tesi, si studia come la combinazione della fisica quantistica e della teoria dell'informazione permettano di realizzare protocolli all'avanguardia per la sicurezza dell'informazione. In particolare, si considerano due specifiche applicazioni: l'estrazione di casualità per generatori quantistici di numeri casuali e gli algoritmi classici di processing nel contesto della crittografia quantistica. Mentre il primo strumento consente di dimostrare l'uniformità delle sequenze casuali prodotte, i secondi permettono di creare un sistema per lo scambio di chiavi incondizionatamente sicure. %Focalizziamo lo studio sulle applicazioni pratiche di questi strumenti. Descriviamo in dettaglio l'implementazione di un estrattore di casualità per un generatore quantistico di numeri casuali commerciale, e valutiamo le sue prestazioni basandoci sulla teoria dell'informazione. Quindi, ci concentriamo sulla crittografia quantistica nello specifico scenario sperimentale dei canali quantistici in spazio libero. Ad oggi, infatti, sono già disponibili soluzioni commerciali con canali quantistici in fibra ottica, che sono però condizionate da un'alta complessità infrastrutturale e da un elevato costo economico. D'altro canto, la crittografia quantistica in spazio libero permette una maggiore flessibilità, sia per link terrestri che per link satellitari, ma soffre di perdite e rumore più elevati al ricevitore. In questo lavoro, studiamo le sue applicazioni e ne dimostriamo la fattibilità in vari esperimenti, su link di diversa lunghezza e con diverse condizioni di canale. In particolare, dopo un'accurata analisi dei protocolli di correzione d'errore, consideriamo gli effetti dell'analisi alle chiavi finite sul processo di distillazione della chiave e proponiamo un algoritmo innovativo di selezione adattiva ed in tempo reale dei dati che, sfruttando la turbolenza del canale come risorsa, permette di estendere l'applicabilità della crittografia quantistica a nuovi livelli di rumore. Utilizzando un complesso software per il processing classico ottimizzato per lo scenario considerato, i risultati ottenuti sono analizzati e validati, dimostrando che la sicurezza quantistica dell'informazione può essere garantita in condizioni realistiche con link quantistici in spazio libero.