A testbed for satellite-based Quantum Key Distribution

In the current digital landscape, communication security is a fundamental requirement across different critical sectors, including government, finance, healthcare, and personal data protection. Traditionally, these applications rely on classical cryptographic meth ods; however, the advent of quantum computing threatens their security by potentially enabling efficient decryption via quantum algorithms. Consequently, there is a growing need for cryptographic solutions resilient to quantum-based attacks. Quantum Key Distri bution (QKD) presents a viable solution by using quantum mechanics to establish secure key exchange with unconditional security, a feature absent in classical cryptosystems. In fact, terrestrial QKD implementations face critical limitations in long-distance commu nication, due to exponential signal loss over optical fibers, making them inadequate for global secure communications. Satellite-based QKD yield more favourable loss scaling on long distances, and thus of fer a potential remedy to current limitations. Yet, it introduces unique challenges such as time varying losses, background photon interference, and polarization misalignment due to satellite motion. This thesis investigates these challenges and details the develop ment of a testbed for simulating satellite-based QKD downlink scenarios. This testbed integrates hardware modules to emulate link losses, Doppler shifts, and polarization mis alignment, alongside with a software module for estimating background photons under various link conditions. This work, was conducted at Thales Alenia Space Italia, and is part of a project aiming at developing a complete and reliable testing environment, for advancing satellite-based QKD technologies essential to secure global communication in a post-quantum world.

Nell’attuale panorama digitale, la sicurezza delle comunicazioni è un requisito fondamen tale in tutti i settori critici, tra cui la pubblica amministrazione, la finanza, la sanità e la protezione dei dati personali. I metodi crittografici classici hanno tradizionalmente for nito una sicurezza adeguata; Tuttavia, l’avvento dei computer quantistici minaccia la loro sicurezza, rendendo potenzialmente possibile una decifrazione efficiente attraverso algo ritmi quantistici. Di conseguenza, cresce l’esigenza di soluzioni crittografiche resistenti agli attacchi di tipo quantistico. La distribuzione quantistica delle chiavi, Quantum Key Dis tribution (QKD), presenta una soluzione praticabile utilizzando la meccanica quantistica per stabilire uno scambio sicuro di chiavi con sicurezza incondizionata, una caratteristica assente nei sistemi crittografici classici. Infatti, le implementazioni terrestri della QKD incontrano limitazioni critiche nelle comunicazioni a lunga distanza, a causa della perdita esponenziale del segnale nelle fibre ottiche, rendendole inadeguate per una sicurezza glob ale. La QKD via satellite presenta perdite minori su lunghe distanze, offrendo un potenziale rimedio, alle attuali limitazioni. Ma introduce sfide uniche quali perdita dinamica di segnale, la presenza di fotoni di fondo e il disallineamento della polarizzazione dovuto al movimento dei satelliti. movimento dei satelliti. Questa tesi analizza queste sfide e illustra lo sviluppo di un testbed per emulare scenari di downlink QKD satellitare. Questo testbed integra moduli hardware per emulare le perdite dinamiche di segnale, shift Doppler della frequenza di ripetizione e disallineamento della polarizzazione, e un modulo software per stimare i fotoni di fondo in varie condizioni di comunicazione. Questo lavoro, condotto presso Thales Alenia Space Italia, è parte di un progetto che ambisce a sviluppare un ambiente di test completo e affidabile per l’avanzamento delle tecnologie QKD satellitare, essenziali per la sicurezza delle comunicazioni globali in un mondo post-quantistico.