Qualifica di un QRNG con applicazione esemplificativa in Differential Privacy

This thesis investigates how the quality of randomness affects the privacy guarantees provided by differential privacy mechanisms. We develop and characterize a quantum random number generator based on Silicon Photomultipliers, establishing both offline validation procedures using standard statistical test suites (NIST SP 800-22, NIST SP 800-90B, TestU01) and online health monitoring capable of detecting catastrophic failures in near real-time. Using controlled entropy manipulation experiments, we measure the empirical privacy loss produced by differential privacy implementations under varying randomness conditions. Our statistical framework detects deviations from theoretical guarantees when approximately one bit in every 8 to 16 is manipulated, revealing that differential privacy mechanisms exhibit considerable resilience to subtle entropy degradation compared to cryptographic applications. Additionally, we identify and diagnose artifacts in OpenDP's discrete Laplace sampler, tracing the issue to the Bernoulli sampling procedure, and propose an alternative implementation using exact rational arithmetic that eliminates these artifacts.

Questa tesi indaga come la qualità della casualità influenzi le garanzie di privacy fornite dai meccanismi di differential privacy. Viene sviluppato e caratterizzato un generatore quantistico di numeri casuali basato su fotomoltiplicatori al silicio, definendo procedure di validazione offline mediante test statistici standard (NIST SP 800-22, NIST SP 800-90B, TestU01) e un sistema di monitoraggio online in grado di rilevare guasti catastrofici in tempo quasi reale. Attraverso esperimenti controllati di manipolazione dell'entropia, viene misurata la perdita di privacy empirica prodotta da implementazioni di differential privacy in diverse condizioni di casualità. Il framework statistico sviluppato rileva deviazioni dalle garanzie teoriche quando circa un bit ogni 8-16 viene manipolato, rivelando che i meccanismi di differential privacy mostrano una notevole resilienza a degradazioni sottili dell'entropia rispetto alle applicazioni crittografiche. Inoltre, vengono identificati e diagnosticati artefatti nel campionatore discreto di Laplace della libreria OpenDP, ricondotti alla procedura di campionamento di Bernoulli, e viene proposta un'implementazione alternativa basata su aritmetica razionale esatta che elimina tali artefatti.