Classical processing algorithms for Quantum Information Security

In this thesis, we investigate how the combination of quantum physics and information theory could deliver solutions at the forefront of information security, and, in particular, we consider two focus applications: randomness extraction as applied to quantum random number generators and classical processing algorithms for quantum key distribution (QKD). We concentrate on practical applications for such tools. We detail the implementation of a randomness extractor for a commercial quantum random number generator, and we evaluate its performance based on information theory. Then, we focus on QKD as applied to a specific experimental scenario, that is, the one of free-space quantum links. Commercial solutions with quantum links operating over optical fibers, in fact, already exist, but suffer from severe infrastructure complexity and cost overheads. Free-space QKD allows for a higher flexibility, for both terrestrial and satellite links, whilst experiencing higher attenuation and noise at the receiver. In this work, its feasibility is investigated and proven in multiple experiments over links of different length, and in various channel conditions. In particular, after a thorough analysis of information reconciliation protocols, we consider finite-key effects as applied to key distillation, and we propose a novel adaptive real-time selection algorithm which, by leveraging the turbulence of the channel as a resource, extends the feasibility of QKD to new noise thresholds. By using a full-fledged software for classical processing tailored for the considered application scenario, the obtained results are analyzed and validated, showing that quantum information security can be ensured in realistic conditions with free-space quantum links.

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.