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Si tratta della prima comunicazione quantistica compiuta sfruttando un link ottico in spazio libero, tra il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione (DEI) e i laboratori Luxor, basato un generatore di qubit (Alice) – stati quantistici a due livelli - realizzato con un chip fotonico (particolare in basso). Il protocollo utilizzato è la Quantum Key Distribution (QKD) del tipo BB84. Un telescopio ricevitore, “Bob”, è stato utilizzato per raccogliere all’interno di una fibra ottica i deboli segnali inviati, che sono poi stati inviati ad un analizzatore di stati per la misura quantistica.
L’esperimento ha dimostrato che la fotonica integrata, unita ad un performante sistema di puntamento, permette di generare chiave crittografica anche di giorno e ad una lunghezza d’onda compatibile con lo standard utilizzato nelle telecomunicazioni classiche.
Il contesto – la Quantum Key Distribution e The Future is Quantum
La sicurezza delle comunicazioni digitali rappresenta un ambito di interesse strategico sia a livello nazionale che internazionale. La sicurezza delle telecomunicazioni viene tipicamente garantita da sistemi crittografici basati su problemi computazionali complessi da risolvere come, ad esempio, la fattorizzazione di numeri primi. La soluzione di questi problemi con i migliori algoritmi e i più potenti computer a disposizione richiede infatti un tempo estremamente lungo e garantisce attualmente la sicurezza dell’informazione. Il costante e rapido sviluppo di tecniche matematiche sempre più efficaci e/o l’avvento dei computer quantistici metteranno però in crisi i sistemi di crittografia classici. Inoltre, attacchi del tipo save-now & decrypt-later mettono già a rischio i dati scambiati oggi e che potranno essere decifrati tra alcuni anni, grazie al continuo aumento delle potenze computazionali. Partendo dalla consapevolezza di questa criticità, con il presente progetto i proponenti si muovono nel campo della crittografia quantistica, principale se non unica soluzione in grado di mettere in sicurezza i dati contro gli attacchi odierni e futuri. Tale soluzione permette di aggiungere un layer di sicurezza aggiuntivo a quelli utilizzati classicamente, in modo da rendere sicura l’odierna infrastruttura anche in scenari post-quantum.
La “distribuzione di chiave quantistica” (o Quantum Key Distribution, QKD) ha in questo contesto un ruolo cruciale nel garantire la sicurezza delle comunicazioni, al punto che la . La QKD consente a due utenti di condividere una chiave segreta e casuale attraverso lo scambio di qubit codificati su singoli fotoni. Tale chiave potrà essere utilizzata successivamente per cifrare e decifrare messaggi in maniera incondizionatamente sicura attraverso il cosiddetto protocollo One-Time-Pad. Il principale vantaggio di questo sistema consiste nel fatto che, sfruttando le proprietà della meccanica quantistica, nella fase di scambio dei qubit questi ultimi non possono essere intercettati da un terzo utente senza che le due parti in comunicazione se ne accorgano. La segretezza non dipende dunque dalla capacità di calcolo di un eventuale attaccante, ma è intrinsecamente legata alle proprietà fisiche dei sistemi quantistici utilizzati. L’unione della QKD e del One-Time-Pad rappresenta ad oggi l’unico sistema di comunicazione “incondizionatamente sicuro”, ossia matematicamente indecifrabile e resistente a qualsiasi tipo di attacco.
Le comunicazioni quantistiche a Padova
grazie allo sguardo rivolto al futuro che caratterizza il nostro Dipartimento e Ateneo, nel bando 2002 infatti è stato finanziato un progetto (QSpace – PI Paolo Villoresi del DEI) che aveva un obiettivo ambizioso ma in un contesto inesplorato: grazie alla sinergia tra competenze di ottica quantistica, fisica, ottica classica e astronomia, è stato possibile portare a termine la prima dimostrazione di fattibilità dello scambio dei singoli fotoni con un satellite, dopo 5 anni di ricerche. Su questa base, lo studio si è irrobustito grazie a un finanziamento cruciale, di nuovo dell'università di Padova: il progetto strategico di Ateneo QuantumFuture (PI Paolo Villoresi del DEI). Questo non solo ha permesso di raggiungere la prima dimostrazione di comunicazione quantistica con un satellite ma avviato la sinergia tra discipline diverse dell’Ateneo: Telecomunicazioni, Teoria dei Controlli, Astronomia e Fisica. Diverse direzioni di sviluppo hanno permesso di conseguire risultati nella generazione di numeri casuali con processi quantistici, network sicuro e studio dei sistemi di navigazione avanzati. Recentemente si punta anche a come passare dalla ricerca fondamentale alla tecnologia e al trasferimento tecnologico, con brevetti e spin off.
Padua Quantum Tecnologies Research Center
Nell'ottobre del 2020 e stato avviato il Centro interdipartimentale per le tecnologie quantistiche Padua Quantum Tecnologies Research Center. Il Centro è diretto dal Professor Paolo Villoresi del DEI, ed è stato proposto da docenti di quattro dipartimenti: Ingegneria dell'Informazione, Scienze Chimiche, Fisica e Astronomia e Matematica. L'obiettivo e di collegare le competenze e potenziare la ricerca per far fronte alle nuove sfide di ricerca e di tecnologia poste con la nuova rivoluzione quantistica.
Direzioni di sviluppo delle comunicazioni quantistiche al DEI
Essendo il livello più fondamentale per porre in comunicazione due sistemi, le comunicazioni quantistiche sono in grande sviluppo: l'Agenzia Spaziale Italiana ha in programma una dimostrazione in orbita delle tecnologie sviluppate presso il Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione per le comunicazioni sia di giorno che di notte. Per questa dimostrazione si è installato un telescopio a Padova presso il DEI, che funzionerà assieme al grande osservatorio dell'ASI posto a Matera.
Un altro importante sviluppo riguarda la generazione di numeri casuali, basate sulle tecnologie quantistiche. Questo cruciale aspetto della sicurezza è stato nel passato soggetto a pericolose violazioni da parte di hacker. I generatori sviluppati a Padova si propongono di alzare il livello di sicurezza grazie a nuove soluzioni brevettate dal nostro Ateneo.
Nel contesto europeo, le dimostrazioni delle applicazioni delle comunicazioni sicure quantistiche sono portate avanti nel progetto OpenQKD, del quale l'ateneo di Padova è l'unico membro italiano, e che in particolare studia l’interoperatibilità tra le reti in fibra ottica e nello spazio.
Guardando avanti, lo scambio dei qubit correlati grazie all’entanglement quantistico ci permetterà di pensare ad utilizzare protocolli come il teletrasporto tra continenti. Per questi obiettivi è necessario continuare lo sforzo della ricerca fondamentale portata avanti sia nell’ambito dell’Ateneo che in collaborazioni nazionali ed intercontinentali, e di convertirlo in applicazioni finora sconosciute. Questa prospettiva, chiamata quantum-internet, costituisce una sfida e una grande opportunità, che il DEI e l’Università di Padova è in prima linea per conseguire.
Timeline dei risultati conseguiti presso il DEI
2003 – avvio del progetto di Ricerca di Ateneo UniPD SpaceQ Quantum Information and Communication in space channels (Principal Investigator, PI, P. Villoresi)
2008 – Prima dimostrazione mondiale della fattibilità dello scambio di singoli fotoni dal satellite Ajisai a 1600 km
2009 - Progetto Strategico di Ateneo UniPD QuantumFuture Comunicazioni al limite quantistico (PI P. Villoresi)
2009 – studio di fattibilità di un trasmettitore quantistico per la stazione Spaziale, finanziato dall’Agenzia spaziale Italiana ASI (PI P. Villoresi)
2011 - Dimostrazione pubblica della Quantum Key Distribution nel Palazzo della Ragione - Padova
2014 – Prima dimostrazione mondiale della comunicazione quantistica da satellite, pubblicata nel 2015, tra gli 8 Highlight dell’anno per l’American Physical Society
2013 - Dimostrazione pubblica della Quantum Key Distribution nell’Agorà del Centro S. Gaetano - Padova
2015 - Prima dimostrazione dell’interferenza quantistica nello Spazio con modi temporali
2016 – Nuovo limite dello scambio di singoli fotoni a 7000 km
2017- Verifica nello spazio della proprietà fondamentale della luce nota come dualismo onda-particella
2018 – Nuovo limite dello scambio di singoli fotoni a 20000 km
2019 – dimostrazione della QKD in spazio libero diurna e notturna con fotonica integrata – precursore di terminale spaziale
2020 – Progetto Ricerca di Eccellenza Cariparo Quantum Safe Randomness (PI G. Vallone)
2020 – sviluppo e brevetto di sorgenti di qubit con rumorosità intrinseca ridotta a livelli mai raggiunti prima
2020 – comunicazioni sicure nelle reti in fibra UniPD
2020 – Avviato il progetto ASI per Dimostratore in Orbita delle comunicazioni quantistiche I-QKD (PI P. Villoresi)
2020 – installato il telescopio GaliQeye presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione
2020 - avvio progetto QUANGO: a CubeSat for the provision of secure data communication for IoT devices by means of Quantum Key Distribution and 5G (PI Prof. G. Vallone DEI)
2021 – dimostrazione con Rettore dell’Ateneo di autenticazione di documenti, VPN (virtual private network) con sicurezza basata su QKD e scambio documenti nel network di Ateneo
2021 – rete permanente di QKD in Ateneo, tra il Centro di Calcolo in v. S. Francesco e VSIX in Zona Industriale
2021 – fondato lo spinoff ThinkQuantum di Ateneo con 7 ricercatori del DEI
2022 – qubit generator iPOGNAC vincitore per il premio "Intellectual Property Award" all’Expo di DubaiNella categoria Cybersecurity: Ipognac: una sorgente qubit ad alte prestazioni per la distribuzione di chiavi quantistiche crittografate. Inventori: Giuseppe Vallone, Paolo Villoresi, Marco Avesani, Costantino Agnesi.
