Circuiti e tecniche anti-hacking per InGaAs/InP SPAD per crittografia quantistica

The amount of sensitive e-data exchanged in the internet is increasing, hence the telecommunications security is becoming progressively one of the most critical subject. The classical cryptography methods cannot ensure the protection of these data once quantum computers will come of age. As of today, the Quantum-Key-Distribution (QKD) technique provides a valid solution to this crucial problem and has been demonstrated to be the most effective and safe technique nowadays available. However, it is important to highlight that even if the theoretical QKD technique has been demonstrated to be safe, the real components used to implement it might introduce weak points. In response to this need, the present thesis analyzes the main quantum hacking techniques. Then, based on the results of such analysis, a compact and programmable detection module for SPAD InGaAs/InP has been improved for making it safer. This system proved to be able to manage hardware and firmware countermeasures, facing the main hacking attacks currently known in literature. In detail, in the control unit an FPGA manages the high-speed signals of the single-photon detector. The electrical signals were fully characterized and firmware and software was developed to manage and control the system in all its parameters. The final promising result is an extremely compact and versatile detection module, equipped with all the hardware and firmware that are needed to ensure the security of the QKD system.

Il crescente quantitativo di dati sensibili scambiati oggi tra sistemi informatici rende più che mai indispensabile riuscire a garantire la sicurezza delle telecomunicazioni. Con l’avvento dei computer quantistici, i metodi di crittografia tradizionali potrebbero non assicurare la protezione dei dati scambiati. Una soluzione è rappresentata dalla crittografia quantistica, ed in particolare della tecnica QKD (Quantum Key Distribution). A differenza della crittografia tradizionale, la cui sicurezza è basata su algoritmi computazionalmente onerosi, nella crittografia quantistica la sicurezza è garantita da proprietà fondamentali della fisica, quali il principio di indeterminazione di Heisenberg ed il teorema di No-Cloning quantistico. Sebbene, idealmente, la sicurezza della tecnica QKD sia stata dimostrata, le caratteristiche reali dei componenti impiegati la possono compromettere. Nel presente lavoro di tesi sono state indagate le principali tecniche di hacking quantistico. In funzione di queste è stato dato un contributo allo sviluppo di un modulo di rivelazione compatto basato su InGaAs/InP SPAD per applicazioni di crittografia quantistica in cui vi siano predisposte contromisure hardware e firmware in risposta ai principali attacchi hacker. Nel dettaglio, è stata sviluppata la logica di controllo in FPGA per la gestione dei segnali veloci che interessano il rivelatore di singolo fotone. Ponendo particolare attenzione alla sicurezza, è stato inoltre realizzato il firmware per la gestione dei parametri operativi del sistema ed il software per il controllo da PC. Il risultato è un modulo di rivelazione estremamente compatto e versatile, dotato di tutti gli accorgimenti hardware e firmware necessari ad assicurare la sicurezza del sistema QKD in cui verrà inserito.