Quantum communications between Earth and Space

In this society people are always connected, and everyday they manage a lot of personal data also risking to be eavesdropped. Quantum science is one the most promising field of the next years, from quantum computing to quantum communications and above all quantum cryptography. Quantum cryptography is the first commercial application of quantum physics and moreover it results one of the most reliable solution for security problem. Using Quantum Physic law's it is possible to establish secure communications between two users, guaranteeing unconditionally security in the transmission of data. Unfortunately due to the intrinsic losses inside optical fibers, it is not possible to establish a quantum link over $300$ km until quantum repeater will be achievable. The natural extension of terrestrial quantum links are space communications, where however the problems due to environment, temperature and pressure are totally new for quantum devices. The study investigated the possibility of sending quantum signals through atmosphere, in particular trying to realize quantum communications between Earth and Space. In this perspective we used Laser Ranging corner-cubes mounted into satellites to recreate a space quantum link. It was possible to prove that even with high losses, variable attenuation, and high backgorund a quantum key distribution system works, and an unconditionally secure key, needful for encryption, can be generated. With this experiments we demonstrate that not only free-space quantum key distribution is a ready technology, but also that quantum satellite communications is nowadays possible and realizable. Moreover these results open the way to look towards a global space quantum network, where optical station (OGS) could talk with satellite and vice-versa. This work was supported by the Strategic Project QUANTUMFUTURE of University of Padova, by ESAGNSS program and realized in Luxor laboratories in Padova. The principal tests were made at Telespazio (Matera) using the Matera Laser Ranging Observatory and into Thales Alenia Space (Torino).

Le persone al giorno d'oggi sono continuamente connesse e ogni giorno maneggiano dati sensibili, rischiando di venire intercettati e truffati. La fisica quantistica si inserisce in questo settore come uno dei campi più promettenti per gli anni futuri, dal computer quantistico, alle comunicazioni ottiche e in particolare la crittografia quantistica (QKD), aiutano lo sviluppo di sistemi incondizionatamente sicuri. La crittografia quantistica è stata la prima applicazione commerciale della fisica quantistica, rappresentando inoltre una soluzione versatile e sicura per la trasmissione di dati in modo incondizionatamente sicuro. Sfruttando le leggi della meccanica quantistica, come il teroema di non clonabilità e il fatto che ogni misura perburba lo stato, è possibile creare una chiave crittografica fra due utenti che consente, sotto alcune condizioni, di comunicare in modo cmatematicamente sicuro. Esistono già da alcuni anni sistemi commerciali di crittogafia quantistica in fibra ottica. Sfortunatamente a causa delle perdite intrinsiche della fibra non è possibile comunicare oltre i $300$ km, fino a quando i ripetitori quantistici non saranno realizzati con alta efficienza. In questo settore si inserisce lo studio presentato in questa tesi, cercando una valida alternativa ai collegamenti in fibra ottica. La naturale estensione dei link quantistici terrestri è rappresentata dalle comunicazioni quantistiche satellitari, dove nonostante i problemi legati all'ambiente di utilizzo (temperatura, pressione, particelle ionizzate, etc) sono presenti parecchi risultati che lasciano ben sperare. Entrando in dettaglio lo studio presentato studia gli effetti della propagazione di un fascio ottico quantistico in atmosfera, in particolare nella condizione di un link quantistico fra Terra e Spazio. In questa prospettiva sono stati individuati come possibili dispostivi i retroriflettori utilizzati nelle misisoni di Laser Raanging, utilizzati solitamente per lo studio della geodesia spaziale. Sfruttando questi satelliti abbiamo ricreato un canale quantistico in down-link dove fosse possibile sperimentare i protocolli quantistici come la QKD. Nonostante le condizioni di lavoro molto sfavorevoli, (alte perdite, attenuazione variabile, puntamento instabile) è stato dimostrato che è possibile inviare nello Spazio un fotone, in un particolare stato quantistico e misurarne le sue caratteristiche. Questo risultato apre la strada alla crittografia quantistica in spazio libero, dimostrando come nonostante ci sia ancora molto strada da fare nell'ambito della fisica quantistica, alcune tecnologie sono mature e pronte per essere implementate in scala globale. In una prospettiva futura questo risultato dimostra come sia possibile immaginare una rete di satelliti quantistici in grado di comunicare con le stazioni base a terra ma anche fra loro. Questo lavoro è stato supportato dal progetto strategico di Ateneo QuantumFuture dell'Università degli studi di Padova, dai fondi ESAGNSS e realizzato sia nei laboratori Luxor del CNR UOS di Padova. I test principali sono stati eseguti nel Telespazio di Matera (ASI) e a Torino nella sede di Thales Alenia Space.