Quantum and Secure Communication scientifici e tecnologici ..... 17 Integrazione tra sicurezza...
62
1 Quantum and Secure Communication Progetto premiale INRIM Bando MIUR (DM 4 agosto 2016 n. 615)
Transcript of Quantum and Secure Communication scientifici e tecnologici ..... 17 Integrazione tra sicurezza...
1
Quantum and Secure Communication
Progetto premiale INRIM
Bando MIUR (DM 4 agosto 2016 n. 615)
1
Sommario
Titolo ................................................................................................................................................................3
Aree di specializzazione ...................................................................................................................................3
Ambito di Intervento........................................................................................................................................3
Parole chiave ....................................................................................................................................................3
Struttura di Riferimento ...................................................................................................................................3
Coordinamento del progetto ...........................................................................................................................4
Partner del progetto ........................................................................................................................................4
Enti di ricerca vigilati ....................................................................................................................................4
INRIM - Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica ...................................................................................4
CNR – Consiglio Nazionale delle Ricerche ................................................................................................5
Altri organismi e soggetti coinvolti: .............................................................................................................7
LENS - Laboratorio Europeo di Spettroscopia non Lineare ......................................................................7
TOP-IX – Torino Piemonte Internet Exchange .........................................................................................7
SmartCommunitiesTech ...........................................................................................................................7
IDQ - ID Quantique ...................................................................................................................................7
MPD - Micro Photon Devices ...................................................................................................................8
HYPRES. ....................................................................................................................................................8
AIZOON. ...................................................................................................................................................8
Introduzione e motivazioni del progetto .........................................................................................................9
Abstract ........................................................................................................................................................9
Introduzione e motivazioni ..........................................................................................................................9
Stato dell’arte ........................................................................................................................................... 11
Il problema ............................................................................................................................................ 11
Sinergie ed integrazione tra QKD e protocolli crittografici ................................................................... 13
La ricerca scientifica .................................................................................................................................. 13
Obiettivi scientifici e tecnologici ................................................................................................................... 17
Integrazione tra sicurezza classica e quantistica ...................................................................................... 17
Sicurezza quantistica ................................................................................................................................. 19
Dorsale quantistica ................................................................................................................................... 19
Nuova strumentazione ............................................................................................................................. 21
Tempo atomico certificato e sicuro .......................................................................................................... 23
Risultati attesi ............................................................................................................................................... 25
Sviluppo delle competenze e delle conoscenze ....................................................................................... 25
___________________________________________________________________________________
2
Attrazione investimenti ............................................................................................................................ 26
Diffusione dei risultati ............................................................................................................................... 30
Formazione di Giovani Ricercatori ........................................................................................................ 30
Divulgazione dei risultati del progetto verso la comunità scientifica ................................................... 30
Divulgazione dei risultati del progetto verso la comunità tecnologica ed industriale ......................... 30
Divulgazione dei risultati del progetto verso la società civile ............................................................... 31
Work packages .............................................................................................................................................. 32
Descrizione WP ............................................................................................................................................. 33
Diagramma GANTT ....................................................................................................................................... 39
Milestones..................................................................................................................................................... 40
Piano Economico ........................................................................................................................................... 41
Ruolo delle unità operative ........................................................................................................................... 42
INRIM - Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica .................................................................................... 42
CNR-IIT ...................................................................................................................................................... 42
CNR-INO .................................................................................................................................................... 43
CNR-IMM .................................................................................................................................................. 43
CNR-NANO ................................................................................................................................................ 44
CNR-SPIN ................................................................................................................................................... 44
Team ............................................................................................................................................................. 44
Unità Operativa INRIM .............................................................................................................................. 45
Unità Operativa CNR ................................................................................................................................. 45
CV key person ........................................................................................................................................... 47
Management ................................................................................................................................................. 50
Riferimenti bibliografici ................................................................................................................................ 52
Allegato I: lettere di partecipazione e attestati di interesse ........................................................................ 54
___________________________________________________________________________________
3
Titolo
Quantum and Secure Communication.
QASCO.
Aree di specializzazione
ERC Physical Science and Engineering (PE).
10: Smart secure and inclusive community.
Ambito di Intervento
Nuove tecnologie e nuovi servizi per ICT
Parole chiave
Comunicazione sicura
Quantum Key Distribution
Comunicazione quantistica
Tempo atomico certificato e sicuro
Sorgenti a singolo fotone
Rivelatori a singolo fotone
Struttura di Riferimento
ISTITUTO NAZIONALE DI RICERCA METROLOGICA
Strada delle Cacce 91
10135 Torino
___________________________________________________________________________________
4
Coordinamento del progetto
Coordinatore del progetto
Dr. Filippo Levi, Dirigente di ricerca.
Divisione di metrologia fisica, INRIM.
Responsabile attività INRIM
Dr. Ivo Degiovanni, Ricercatore III.
Divisione di metrologia fisica, INRIM.
Responsabile attività CNR
Dr Marco Bellini (INO), Dirigente di Ricerca.
CNR-INO.
Partner del progetto
Gli enti di ricerca vigilati dal MIUR che partecipano al progetto sono: INRIM come capofila e CNR come
partecipante.
Sono altresì coinvolti a vario titolo nel progetto di ricerca altri soggetti non EPR: il Laboratorio Europeo di
Spettroscopia Non-lineare (LENS), il Consorzio TOP-IX, il Cluster Tecnologico Nazionale
SmartCommunitiesTech e le industrie ID Quantique (IDQ), Micro Photon Devices (MPD) e Hypres-Inc
(HYP).
Nell'allegato I sono riportate le lettere di adesione e di supporto al progetto.
Enti di ricerca vigilati
INRIM - Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica
L’INRIM è l’istituto metrologico italiano con il compito di svolgere e promuovere attività di ricerca
scientifica nei campi della metrologia, delle tecnologie innovative e dei materiali. L’INRIM effettua studi e
ricerche finalizzati alla realizzazione dei campioni primari delle unità di base e derivate del Sistema
Internazionale (SI), mantenendo nel tempo i campioni realizzati. Gli ambiti di ricerca di base e applicata
sono numerosi: la generazione ed il mantenimento della scale di tempo, lo sviluppo di nuovi campioni
atomici di frequenza, la misura delle costanti fisiche fondamentali, i materiali, le nanotecnologie e
l'informazione quantistica.
L’INRIM assumerà il ruolo di ente coordinatore del progetto. INRIM ha coordinato con successo diversi
progetti nazionali ed europei legati alla metrologia del tempo e delle frequenza, a quella delle tecniche a
singolo fotone ed alle tecnologie quantistiche. Per quanto riguarda il tempo atomico e la sua distribuzione
INRIM ha coordinato i seguenti progetti: Premiale LIFT (progetti premiali 2012 e 2013), premiale Metgesp
(premiali 2014), Demetra (progetto H2020), Mclock (Progetto EMPIR IND55), inoltre INRIM ha coordinato
vari progetti di ricerca ESA legati alle attività Galileo. Nel campo della metrologia a singolo fotone progetti
rilevanti sono stati QuCandela (EURAMET JRP), MIQC e MIQC2 (EMRP IND06 , EMPIR 14-IND05).
___________________________________________________________________________________
5
CNR – Consiglio Nazionale delle Ricerche
Il CNR è il maggiore istituto di ricerca italiano ed ha una caratteristica multidisciplinare molto spiccata.
CNR parteciperà al progetto premiale attraverso 5 diversi Istituti facenti capo a due diversi Dipartimenti,
quello di Scienze fisiche e tecnologie della materia e quello di Ingegneria, ICT e tecnologie per l'energia e i
trasporti. Di seguito la descrizione degli Istituti CNR coinvolti.
CNR-IIT
L'Istituto di Informatica e Telematica del CNR (CNR-IIT) svolge attività di ricerca, valorizzazione,
trasferimento tecnologico e formazione nel settore delle tecnologie dell'informazione e della
comunicazione e delle scienze computazionali. La crescita esponenziale di Internet, dei suoi servizi e
applicazioni è divenuta inarrestabile e lascia intravedere nuovi e affascinanti scenari di ricerca e sviluppo
del tutto inesplorati. Internet è sempre più presente e pervasiva, anche in nuovi paradigmi applicativi
quali "Smart Cities and Communities", rafforzando sempre più il suo ruolo di elemento strategico per la
crescita sociale, culturale ed economica dell'intera umanità.
In questo scenario lo IIT è, proiettato naturalmente e concretamente verso l'Internet del Futuro vantando
consolidate competenze in algoritmica e in settori di ricerca e sviluppo:
Ubiquitous Internet
Cyber security
Algorithms
Web technologies
Internet Governance
CNR‐INO – Istituto Nazionale di Ottica
L'Istituto Nazionale di Ottica (INO) del CNR opera da oltre ottanta anni in numerosi settori dell'Ottica ed
ha aggiornato le proprie linee di attività al passo con le grandi innovazioni che hanno caratterizzato il
settore nell'ultimo secolo. Le attività si articolano oggi in programmi di ricerca pura e applicata,
trasferimento tecnologico e consulenza per enti pubblici ed imprese, formazione e tirocinio. L'attività
scientifica del CNR-INO è organizzata principalmente in 6 macro-aree di ricerca:
• Materia Fredda & Ottica Quantistica
• Metrologia & Spettroscopia
• Nano & Bio Fotonica
• Sensori & Imaging
• Sistemi, Componenti & Materiali Ottici Evoluti
• Sorgenti Luminose Innovative & Fotonica Estrema
CNR‐IMM ‐ Istituto per la microelettronica e microsistemi
L'Istituto per la Microelettronica e Microsistemi (IMM), appartenente al Dipartimento di Scienze Fisiche e
Tecnologie della Materia del CNR è organizzato in 7 sezioni, ad Agrate Brianza (Mi), Bologna, Roma,
Napoli, Lecce e due sezioni a Catania (la Sede e la sezione all'Università di Catania). L'Istituto ha uno staff
di 117 ricercatori, 78 tra tecnici e amministrativi., 47 Post-Doc, e 61 studenti di Dottorato. L'attività di
ricerca è focalizzata su soluzioni innovative per micro e nanoelettronica, materiali e processi avanzati, per
optoelettronica, fotonica, sensori, e micro e nanosistemi multifunzionali. Le principali aree di ricerca sono:
• Materiali nanostrutturati • Materiali e Dispositivi per l'immagazzinare ed elaborare l'informazione • MEMS e MOEMS
___________________________________________________________________________________
6
• Elettronica di larga area e su substrati flessibili • Materiali e processi per dispositivi RF e di potenza in SiC e GaN devices • Materiali e Dispositivi per Fotovoltaico e Fotonica • Sensori e micro/nanosistemi multifunzionali • Caratterizzazione imaging sulla micro e nanoscala • Simulazioni numeriche e modelli ab-initio
Grazie ai numerosi laboratori e alle camere pulite (queste ultime hanno un’area complessiva di circa 1400
m2), le attività dell'IMM spaziano dalla scienza dei materiali, allo sviluppo di processi e realizzazioni di
dispositivi a semiconduttore, all'integrazione di sistemi. IMM è presente in numerosi progetti europei ed
ha molte collaborazioni con prestigiose istituzioni di ricerca e Università a livello internazionale, quali LETI,
IMEC, ESRF, CNM, e con numerose aziende di semiconduttori, tra cui in particolare la STMicroelectronics
Micron, Philips, AMD, Tower/Jazz Semiconductor and Siemens.
CNR‐SPIN ‐Istituto superconduttori, materiali innovativi e dispositivi
L’Istituto CNR Istituto superconduttori, materiali innovativi e dispositivi (SPIN) svolge ricerca avanzata nel
campo dei materiali superconduttori e altri materiali innovativi per dispositivi elettronici e per
l’energetica, conducendo studi sperimentali e teorici e sviluppando micro e nano dispositivi elettronici
superconduttori e dispositivi innovativi basati su ossidi e su materiali organici e nanostrutturati.
CNR SPIN ha una pluriennale esperienza nel design e nella realizzazione di Single Photon Detectors
(SNSPDs) e nella ricerca sui materiali superconduttivi anche non convenzionali e sulle loro proprietà in
regime quantistico. Le attuali ricerche in questo campo sono dirette anche alla realizzazione di SNSPDs
con materiali superconduttivi in grado di garantire efficienze quantiche anche nella regione di lunghezze
d'onda di interesse nelle telecomunicazioni (1.55 micron). Inoltre SPIN studia il possibile utilizzo nel
contesto della rivelazione di singolo fotone di nuovi materiali superconduttivi non convenzionali. Infine,
anche grazie a collaborazioni internazionali, CNR SPIN sta avviando ricerche sulla possibile integrazione di
dispositivi superconduttivi con elettronica criogenica anche superconduttiva in grado di garantire livelli di
rumore estremamente bassi ed elevata qualità dei segnali elettronici da processare.
CNR‐NANO ‐Istituto Nanoscienze
L’Istituto CNR Nanoscienze (NANO) appartiene al Dipartimento di Scienze Fisiche e tecnologiche della
materia ed è costituito da due sedi: la sede principale a Pisa e una sede secondaria a Modena. L’obiettivo
primario dell’Istituto è lo studio fondamentale e la manipolazione dei sistemi su scala nanometrica. Le
diverse attività di ricerca multidisciplinari includono la sintesi e la fabbricazione di nanostrutture e
nanodispositivi, lo studio sperimentale e teorico-computazionale delle loro proprietà e funzionalità, e la
loro integrazione in sistemi funzionali complessi. Le conoscenze acquisite vengono utilizzate per elaborare
applicazioni multidisciplinari in vari settori, in particolare energia e ambiente, nano(bio)tecnologie,
nanomedicina con attenzione speciale a progetti e tecnologie avanzate di interesse industriale.
Le principali aree di ricerca legate alle tecnologie quantistiche a stato solido sono:
Dispositivi ibridi e topologici: Trasporto quantistico e controllo di entanglement in nanodispositivi superconduttori ibridi. Controllo e rivelazioni delle fasi topologiche in sistemi ibridi-superconduttore-semiconduttore. Spintronica superconduttiva. Interferometri superconduttivi ibridi a molti terminali. Trasporto quantistico e qubit in sistemi topologicamente protetti. Materiali meta ed artificiali topologici basati su fotoni. Contatori a singolo fotone in metamateriali e in nanostrutture quantistiche. Controllo a singolo fotone di network in nanofibre. Circuiti ad alata temperatura critica come bus quantistico
___________________________________________________________________________________
7
Stato a singolo livello elettronico a manipolazione di calore per sensori quantistici: manipolazione elettrostatica di singoli spin ed orbitali energetici; spin molecolari ed impurezze di spin; controllo di calore in nano strutture; proprietà termoelettriche in nano strutture.
Altri organismi e soggetti coinvolti:
LENS - Laboratorio Europeo di Spettroscopia non Lineare
Il LENS è un punto di riferimento europeo per la ricerca con la luce e centro di eccellenza dell’Università di
Firenze. Gli interessi di ricerca includono la fisica atomica, l’ottica quantistica, la fotonica, la biofisica e la
chimica, senza dimenticare la formazione avanzata di giovani ricercatori. Il LENS ha una lunga esperienza
nella manipolazione e controllo di sistemi quantistici, sia di luce che di materia, ed ospita in convenzione
laboratori INRIM e CNR-INO che si occupano di tali tematiche.
TOP-IX – Torino Piemonte Internet Exchange
Il Consorzio TOP-IX è attivo da oltre dieci anni su diversi fronti: dalla gestione delle infrastrutture per
Internet Exchange (ragione per cui è stato costituito nel 2002), al Development Program, con cui dal 2006
fornisce sostegno a progetti di innovazione tecnologica; fino alla piattaforma di Streaming, che ha
permesso al Consorzio di diventare provider ufficiale delle Berlinale dal 2006.
Negli ultimi anni TOP-IX si è occupato di temi quali Cloud (2008); Open Data (2010), contribuendo alla
nascita di dati.piemonte.it, primo portale italiano dedicato ai dati aperti; Big Data (2011), arrivando a dar
vita al corso di formazione “Big Dive”; e Social Innovation (2014).
SmartCommunitiesTech
SmartCommunitiesTech è il Cluster Tecnologico Nazionale dedicato alle "Tecnologie per le Smart
Communities", la rete nazionale di attori territoriali, industriali e di ricerca che collaborano allo sviluppo di
progetti di innovazione rivolti alle Smart City and Communities.
Il Cluster mette in rete nove regioni e province italiane: Piemonte, Lombardia, Toscana, Veneto, Liguria,
Provincia Autonoma di Trento, Emilia Romagna, Lazio, Puglia. Creato dal MIUR nel 2012 nell'ambito della
strategia di specializzazione nazionale. La sua missione è di promuovere modelli innovativi di
collaborazione pubblico-privato per sviluppare soluzioni tecnologiche avanzate capaci di rispondere alle
sfide sociali delle moderne comunità e di migliorare la competitività del Paese sul tema Smart
Communities.
IDQ - ID Quantique
IDQ è azienda leader nelle soluzioni di crittografia quantistica. L'azienda fornisce apparati per la
crittografia quantistica, che garantiscono la generazione e la distribuzione quantistica di chiavi
crittografiche sicure: tecnologia chiave per la sicurezza del settore finanziario, delle imprese e delle
organizzazioni governative a livello mondiale.
IDQ commercializza anche un generatore di numeri casuali quantistico, che è il riferimento nelle
industrie di scommesse e lotterie. Inoltre, IDQ è un fornitore leader di prodotti di strumentazione
ottica; in particolare contatori di fotoni ed elettronica correlata. Le soluzioni fotoniche innovative
dell'azienda sono utilizzati in applicazioni commerciali e di ricerca.
___________________________________________________________________________________
8
MPD - Micro Photon Devices
MPD è una società che si occupa di produzione e ingegnerizzazione. MPD è stata fondata nel 2004 come
spin-off del Politecnico di Milano e Microgate Srl: il primo fornisce l'eccellenza nell’ambito ricerca e
sviluppo, mentre il secondo è un partner industriale con una attività ben consolidata nei settori della
Adaptive Optics, Timing professionale, e Riabilitazione.
La missione di MPD è la produzione di dispositivi di conteggio di fotoni basate sulle tecnologie sviluppate
presso il Politecnico di Milano, che vengono accompagnate dall’esperienza di ingegnerizzazione di
prodotto e commercializzazione maturate negli anni da Microgate Srl.
HYPRES.
Hypres, Inc. è un'azienda americana che sviluppa elettronica criogenica superconduttiva con esperienza
nel design, fabbricazione, modellizazione, packaging criogenico ed integrazione con circuiti
superconduttitvi e sistemi crio-raffreddati. HYPRES è leader mondiale per la produzione e vendita di
circuiti integrati superconduttivi, e punta allo sviluppo di logiche efficientamento energetico di tipo Single
Flux Quantum (SFQ) per applicazioni R&D nel campo della spintronica superconduttiva e del quantum
computing. Le soluzioni di efficienza energetica adottate per l'elettronica superconduttiva possono essere
di grande interesse in una ampia gamma di applicazioni che includono la lettura di rivelatori SNSPDs,
circuiti di controllo quantistico, etc. Inoltre, Hypres ha una consolidata esperienza nello sviluppo di
elettronica superconduttiva digitale e relativa criogenia a ciclo chiuso.
AIZOON.
AizoOn è un’azienda che opera a livello internazionale, caratterizzata da una costante crescita e dalla
collaborazione con oltre 100 clienti di primaria importanza. In particolare, l’area di business “Cyber
Security” si focalizza sulla protezione dati e sullo sviluppo di applicazioni per prevenire attacchi e
vulnerabilità basate sulla tecnologia Deep-Learning, con la piattaforma proprietaria ARAMIS. AizoOn offre
soluzioni e conduce una costante azione di ricerca e sviluppo su Test di vulnerabilità, Strategie di messa in
sicurezza per infrastrutture critiche, Gestione degli incidenti di cybersicurezza, realizzazione di
comunicazioni sicure (IP industriali).
___________________________________________________________________________________
9
Introduzione e motivazioni del progetto
Abstract
L’impatto delle tecnologie di telecomunicazione sulla nostra società è ubiquo. Nelle reti di
telecomunicazioni viaggiano una mole crescente di dati ed informazioni, che interagiscono attraverso una
rete complessa di persone istituzioni e macchine, generando un nuovo tipo di servizi e di modelli
produttivi. La sicurezza di questa rete è di vitale importanza non solo per la privacy dei cittadini e la
protezione dei dati che vengono trasmessi, ma anche per garantire l’affidabilità ed il pieno sviluppo della
piattaforma di rete, che è alla base di intere filiere produttive.
Le tecniche classiche di sicurezza sono quotidianamente messe alla prova da cyber attacchi sempre più
sofisticati. Il progetto si propone di sviluppare e testare in campo reale nuove tecnologie intrinsecamente
sicure per la protezione delle comunicazioni, come quelle basate sui principi della meccanica quantistica,
e di raccordarle con le più avanzate tecniche classiche di sicurezza e protezione dati. Il premiale propone
anche di sviluppare un progetto pilota per la diffusione di un servizio strategico, quale è ad esempio la
sincronizzazione alla scala di tempo internazionale, in maniera sicura e certificata ad utenti industriali
rilevanti. Inoltre verranno sviluppati nuovi rivelatori e nuove sorgenti a singolo fotone da integrare nei
sistemi quantistici per la protezione delle comunicazioni della prossima generazione.
Introduzione e motivazioni
La nostra società tecnologica è ampiamente basata sulla comunicazione, e una quantità sempre crescente
di informazioni e di dati viaggia su una capillare rete di fibre ottiche che si estendono su tutto il pianeta.
Oggi più che mai si sta assistendo ad una progressiva espansione non solo della mole di informazioni che
vengono quotidianamente trasmesse, ma anche della tipologia di informazioni e di servizi che viaggiano
sulle fibre ottiche e che raggiungono devices di vario tipo (portando ad una convergenza del mondo cyber
physical).
Citiamo alcuni esempi senza pretesa di esaustività: le telecomunicazioni cellulari, le transazioni
finanziarie, lo streaming commerciale, la telemedicina, i sistemi di controllo industriale (SCADA), i sistemi
per il controllo energetico (smart grids) etc.; Inoltre, un incremento molto rilevante di dati e
comunicazione saranno associati alle innovazioni tecnologiche note come Internet of Things (IoT),
Industria 4.0 e Big Data Analytics.
Ad esempio, molti dispositivi IoT sono piccoli, economici e usano hardware a basso costo e soluzioni
software che mancano della potenza computazionale e memoria per eseguire gli attuali software di
sicurezza esistenti [Grau 2015]. Spesso il problema della sicurezza su questi sistemi viene trascurato,
considerando che, dato il basso costo dei dispositivi, la loro natura chiusa e l’essere application specific,
sarebbe la causa di scarsa motivazione da parte degli attaccanti a colpire sistemi IoT. Tuttavia come
mostrato alla conferenza Black Hat in Luglio 2013 e come riportato in un report di Trend Micro [Wilhoit
2015], sono stati registrati 74 attacchi intenzionali in soli 3 mesi, di cui 10 avvenuti con successo, in cui gli
attaccanti sono riusciti a prendere il controllo del sistema.
Spesso, informazioni e servizi hanno un grado di criticità molto elevato poiché sono necessari al
funzionamento dei più svariati sistemi, necessitano quindi di protocolli atti a garantire il massimo livello di
___________________________________________________________________________________
10
sicurezza. Ad esempio la sincronizzazione delle reti elettriche, delle comunicazioni cellulari può essere
garantita esclusivamente se il segnale di tempo è certificato rispetto agli standard internazionali.
Similmente il “time stamping” delle transazioni finanziarie così come quello utilizzato nei “click days” deve
avere rigorosi standard di accuratezza e di riferibilità alla scala di tempo internazionale (UTC)1. Con il
progressivo sviluppo dell’IoT, le garanzie richieste sulla sicurezza dell’origine e la tracciabilità dei servizi e
dei prodotti forniti in rete aumenteranno in maniera massiccia nei prossimi anni. Non si tratta quindi
solamente di garantire informazioni sicure dal punto di vista della indecifrabilità di messaggi criptati, ma si
tratta anche di garantire la affidabilità e la riferibilità di informazioni vitali per il funzionamento dei più
avanzati sistemi messi a disposizione nel mondo delle telecomunicazioni.
Per quanto riguarda la trasmissione di messaggi criptati, i sistemi classici di crittografia delle informazioni,
essenzialmente basati su algoritmi crittografici (p.es. RSA), sono sempre più a rischio di decifrazione come
risultato della crescente potenza di calcolo a nostra disposizione. Nel momento in cui i calcolatori
quantistici raggiungessero una maggiore maturità tecnologica, la loro capacità di fattorizzare numeri primi
in tempo estremamente più rapido renderebbe la crittografia classica praticamente non più utilizzabile.
Sviluppi fondamentali per creare nuovi sistemi di comunicazione sicura sono stati fatti utilizzando la
crittografia quantistica e in particolare la distribuzione quantistica di chiavi crittografiche (Quantum Key
Distribution, QKD), che utilizzando le proprietà della luce a livello quantistico permette di sviluppare
sistemi di comunicazione intrinsecamente sicuri, in quanto in grado di rivelare in tempo reale la presenza
di attacchi e violazioni del canale di comunicazione.
Questa duplice esigenza (riferibilità delle informazioni e inattaccabilità delle crittografia) rappresentano
una sfida di fondamentale importanza per la nostra società ed i benefici di tali soluzioni dovrebbero
essere estesi a sistemi esistenti, ancorati a soluzioni di sicurezza classiche. E’ comunque importante che
tali avanzate soluzioni di sicurezza siano correttamente inserite in ambienti di sicurezza classica. Anche la
cyber security classica deve essere estesa e adattata ai nuovi ambienti cyber fisici che caratterizzano i
sistemi e possibilmente integrata con i più sicuri meccanismi di sicurezza rappresentati quali QKD e tempo
sicuro/certificato.
La ricerca italiana in questo contesto ha una posizione di rilievo internazionalmente riconosciuta.
Per quanto riguarda l’utilizzo delle fibre ottiche per la trasmissione di segnali di riferimento di tempo e
frequenza INRIM ha realizzato sul territorio nazionale una estesa rete di fibre ottiche per la
disseminazione di segnali di tempo e frequenza campione [Calonico 2014]. A differenza di altre reti in
fibra che sono state sviluppate in Europa per scopi esclusivamente di metrologia primaria, la rete italiana
collega una molteplicità di istituti di ricerca ed università (CNR, INAF, ASI, LENS, UNITO, UNIFI, UNINA)
permettendo di avviare sperimentazioni innovative su svariate tematiche di ricerca, usando diverse
tecniche sperimentali per la distribuzione di segnali di tempo e frequenza. Lo stato dell’arte della ricerca
ha posto l’Italia tra i paesi leader nel settore [Calonico 2015], mentre alcune aree di applicazione e
sviluppo sono state identificate anche rispetto a partner finanziari ed industriali, con i quali il tema della
ricerca sulla distribuzione in fibra ottica di segnali di tempo riferiti a UTC si salda con la sperimentazione.
1 UTC (Universal Time Coordinate) è il tempo universale terrestre realizzato dal Bureau International des Poids et
Mesures. A partire dal 1967 UTC è realizzato mediante orologi atomici che realizzano la definizione del secondo, e viene mantenuto in accordo con la rotazione terrestre. I vari istituti realizzano in tempo reale delle approssimazioni di UTC, noti come UTC(k) che vengono post-processati dal BIPM per la realizzazione di un tempo medio UTC.
___________________________________________________________________________________
11
L’Italia annovera molte eccellenze riconosciute internazionalmente anche nell’ambito della ricerca sulla
QKD: in particolare INRIM ha importanti competenze nel campo delle comunicazioni quantistiche, della
metrologia a singolo fotone e della radiometria; il CNR nell’ambito delle tecnologie quantistiche in genere,
nella realizzazione di sorgenti e rivelatori a singolo fotone ed elettronica avanzata con caratteristiche
uniche per soddisfare esigenze proprie della metrologia (SPIN, NANO). Infine non mancano partner
industriali quali MPD, STMicroelectronics ed Hypres che hanno sviluppato da anni competenze importanti
nella realizzazione di componentistica industriale in questi settori.
Possiamo riassumere quindi affermando che la sicurezza delle comunicazioni si declina sotto tre diversi
aspetti: l’autenticazione sicura del canale di comunicazione (e.g. la sicurezza che quando ci colleghiamo
ad un sito web ci stiamo realmente collegato a quel sito e che nessuno può ascoltare la nostra
comunicazione), la sicurezza dei dati che vengono trasmessi (ossia la certificazione che il servizio che
stiamo utilizzando sia completamente tracciabile, come ad esempio nel caso del time-stamping) e la
protezione crittografica dei dati che vengono trasmessi (anche qualora i dati venissero intercettati per
dolo, la crittografia impedisce la loro intelligibilità e la QKD costituisce il paradigma massimo di sicurezza
in questo settore). Questi tre aspetti sono da considerare nel loro insieme. Il progetto QASCO propone di
unire le differenti competenze, maturate nei propri settori di competenza dagli enti di ricerca italiani, per
sviluppare sistemi innovativi per la sicurezza della comunicazione che integri i più evoluti protocolli classici
con quelli basati sulla meccanica quantistica e con la disseminazione di servizi metrologici primari.
Il progetto si propone di ottenere un sensibile avanzamento in questi campi di ricerca e di sviluppo
tecnologico, studiando nuovi sistemi e conducendo una attenta sperimentazione su alcuni casi pilota,
utilizzando il testbed in fibra ottica realizzata da INRIM negli anni passati e trasformandola in una dorsale
quantistica, che essendo a completa disposizione dei ricercatori, permette di compiere una varietà di test
non effettuabili quando si ha invece a disposizione un solo canale di comunicazione o si è in presenza
contemporanea di traffico dati gestito da terzi. Tra gli obiettivi che verranno esposti in maniera estensiva
nel progetto vogliamo sottolineare come rivestano particolare rilevanza la possibilità di sperimentare
l’integrazione tra la trasmissione di segnali QKD e segnali di tempo, e l’integrazione delle tecniche
classiche (crittografiche o di controllo software) con le più avanzate tecniche quantistiche per garantire la
migliore sicurezza delle comunicazione.
Stato dell’arte
Il problema
La sicurezza nelle comunicazioni è una risorsa strategica per molti aspetti della società moderna: dalla
garanzia della corretta esecuzione delle transazioni commerciali e finanziarie, all’autenticazione degli
interlocutori negli interventi di emergenza o nelle comunicazioni diplomatiche, alla tutela della privacy
nelle comunicazioni dei cittadini. Negli ultimi anni è emerso che gli standard attuali delle comunicazioni
sicure non sono sufficienti, come mostrato dalle massicce violazioni della riservatezza dei contenuti e dal
controllo generalizzato dello scambio di dati e metadati.
Data la trasversalità del problema, diversi aspetti delle comunicazioni sicure sono di interesse nei settori
H2020, tra le quali ICT e secure societies. In virtù della sua peculiare dote di inviolabilità intrinseca la
crittografia basata sui meccanismi della meccanica quantistica riveste un ruolo assai rilevante nello studio
dei nuovi protocolli di sicurezza. Significativi sviluppi tecnologici sono già avvenuti, ma per poter pensare
___________________________________________________________________________________
12
ad un utilizzo diffuso di questa tecnica di protezione delle comunicazioni, è necessario validare
l’affidabilità della tecnologia “sul campo”, e mettere a punto una strumentazione precisa ed affidabile
(come ad esempio sorgenti e rivelatori a singolo fotone) in modo da poter essere integrata ed utilizzata da
operatori delle compagnie di telecomunicazioni e non solamente da ricercatori altamente specializzati.
Come notato in [ETSI 2015] è comunque fondamentale una interazione tra la tecniche quantistiche e
quelle classiche della sicurezza per poter garantire la continuità dei livelli di protezione.
Gli attuali sistemi QKD commerciali sfruttano dispositivi a singolo fotone (sorgenti e rivelatori) migliorabili
sia dal punto di vista delle prestazioni, che da quello dei protocolli quantistici utilizzati. In particolare
diverse tecnologie, oggi sviluppate unicamente all’interno dei laboratori di ricerca, saranno utili nei
sistemi commerciali del prossimo futuro. Un esempio di queste tecnologie sono i rivelatori a singolo
fotone con elevata risoluzione temporale e basso rumore di fondo che appaiono fondamentali per
assicurare un alto bit rate (efficace) su lunghe distanze. Le ricerche nel campo dei rivelatori a singolo
fotone seguono diversi approcci che dipendono dalla tecnologia e dai materiali utilizzati; in questo
contesto i rivelatori Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors (SNSPDs) [Natarajan2012]
possono offrire una ottima combinazione dei precedenti parametri fisici fino a lunghezze d'onda vicine a
1550nm, utile per le trasmissioni su lunghe distanze in fibra ottica.
La prima dimostrazione sperimentale di una QKD che impiegava SNSPDs fu realizzata con un phase
encoding system che operava con il protocollo Bennett-Brassard 1984 (BB84) [Bennett1984]. Un alto bit
rate su lunghe distanze a 1550nm è stato raggiunto dal gruppo della Stanford University [Takesue2007]
usando un protocollo Differential Phase Shift (DPS) QKD [Inoue2002]. Una convincente dimostrazione di
QKD basata su SNSPDs fino a 250km in fibra a bassa perdita e con protocollo Coherent One-Way (COW) è
stata ottenuta in [Stucki2009]. Entanglement-based QKD è stato dimostrato su lunghe distanze
[Honjo2008], esempi di applicazioni d SNSPDs in esperimenti QKD in sistemi già installati in fibra si
possono trovare in [Tanaka2008].
Per quanto riguarda la datazione certificata di eventi, stanno emergendo in modo sempre più evidente
necessità di sincronizzare reti estese e poter datare gli eventi con una accuratezza ed una risoluzione
prossime ad 1 μs. Queste richieste arrivano tanto dal settore delle transazioni finanziarie, quanto dal
settore delle “smart grid” elettriche così come dal settore delle telecomunicazioni cellulari di futura
generazione [IEEE 2013; ESMA 2016] e necessitano di importanti sviluppi tecnologici. Gli attuali sistemi di
datazione basati prevalentemente su segnale GPS, ancorché di facile accesso, sono concettualmente
inadatti a soddisfare queste richieste, in quanto la scala di tempo GPS (che ricordiamo essere un sistema
militare gestito dalla US Navy) non offre alcuna garanzia né di riferibilità ad UTC né di integrità. Inoltre i
segnali GPS, che sono trasmessi via radio da satelliti MEO, sono facilmente oggetto di spoofing e jamming.
Un’improvvisa mancanza o corruzione del segnale GPS, qualora venisse utilizzato come base dei sistemi di
sincronizzazione e datazione, causerebbe il collasso di queste reti.
É pertanto necessario realizzare sistemi di datazione e timing alternativi, come ad esempio la trasmissione
in fibra ottica, riferiti in maniera sicura alla scala di tempo nazionale, il cui scarto da UTC è mantenuto
costantemente entro pochi ns.
___________________________________________________________________________________
13
Sinergie ed integrazione tra QKD e protocolli crittografici
I protocolli per Quantum Key Distribution sono di notevole interesse poiché la loro sicurezza è dovuta alle
caratteristiche fisiche del mezzo di comunicazione.
L’interazione tra protocolli crittografici classici e quantum è studiata da tempo. E’ interessante notare
come si potrebbe anche utilizzare la chiave generata tramite QKD con il protocollo one-time-pad per
cifrare in maniera “unconditionally secure” un messaggio; purtroppo tale chiave deve avere la stessa
dimensione del messaggio da spedire e non può essere utilizzata due volte. Una tecnica più utile è l’uso
della QKD per generare (e rigenerare) chiavi di sessione per algoritmi di cifratura a chiave simmetrica
[Alléaume 2014]. Sappiamo che tali algoritmi, anche con l’avvento dei quantum computer, possono essere
resi robusti aumentando la lunghezza della chiavi di cifratura. Generando la chiave di sessione in maniera
sicura, la comunicazione in maniera confidenziale tra i due nodi può essere garantita (e si possono anche
considerare dei mezzi per avere oltre che confidenzialità anche autenticità dei messaggi).
Lo stesso concetto è stato esteso prevedendo più punti di comunicazione in [Kartheek 2012],
permettendo quindi la comunicazione tra n-punti, usando la QKD come terza parte fidata per la
distribuzione di chiavi crittografiche in un’architettura a stella con un trusted node centrale. Questo si
affianca all’architettura, considerata in questo progetto, che utilizza una sequenza di trusted node per una
comunicazione a lunga distanza.
Un’analisi accurata ed estesa delle applicabilità della QKD - ed in generale delle tecnologie del quantum
computing e communication - é stata fatta in [ETSI 2015], evidenziando la necessità di integrare
maggiormente le tecniche di sicurezza classica e quelle quantistiche per trarre i massimi benefici in questa
fase di transizione che sarà necessariamente lunga.
La ricerca scientifica
La QKD è attualmente considerata l’unica tecnologia con un livello di sicurezza potenzialmente assoluto.
E’ infatti importante notare come le tecniche di crittografia classica possano essere rese insicure dallo
sviluppo di computer estremamente potenti, dalla realizzazione di computer quantistici o da nuove
scoperte in ambito matematico. La QKD genera chiavi crittografiche formate da una sequenza di bit
casuali perfettamente identici e sicuri (ovvero ignote a terze parti) condivise unicamente tra il
trasmettitore e il ricevitore. Queste chiavi vengono scambiate mediante la trasmissione di singoli fotoni in
particolari stati quantistici che viaggiano attraverso canali di comunicazione convenzionali e non protetti
come esempio fibre ottiche o “free-space”. L’eventuale attacco al singolo fotone effettuato da una spia,
grazie al principio di indeterminazione di Heisenberg, viene immediatamente rivelato al trasmettitore ed
al ricevitore.
Attualmente la QKD non è più confinata nei soli laboratori di ricerca. Reti QKD in fibra ottica dimostrative
sono state realizzate in alcune aree metropolitane quali Vienna (Austria) (SECOQC) e Tokyo (Giappone)
(UQCC), in Svizzera, negli USA ed in Cina. Oggi sono disponibili strumentazione commerciali e prototipi
industriali per la realizzazione di sistemi di QKD in fibra ottica point-to-point prodotti sia da piccole e
medie imprese che da grandi aziende quali ad esempio ID Quantique SA (Svizzera), MagiQ (USA), Toshiba
Research Europe (UK) e QuintessenceLabs (Australia).
___________________________________________________________________________________
14
L’Italia è estremamente attiva nell’ambito della ricerca sulla QKD: in particolare annovera l’eccellenza
metrologica dell’INRIM nel campo delle comunicazioni quantistiche, della metrologia a singolo fotone e
della radiometria, la straordinaria competenza nell’ambito delle tecnologie quantistiche in genere del
CNR-INO e dell’università La Sapienza, l’eccellenza tecnologica nella realizzazione di sorgenti a singolo
fotone del CNR-INO e dell’INRIM, nonché nello sviluppo di rivelatori a singolo fotone basati sulla
tecnologia dei semiconduttori in PoliMi (in collaborazione con l’azienda MPD), e CNR-IMM (con il
supporto di STMicroelectronics) e su quella dei superconduttori (CNR-SPIN e CNR-NANO, con il supporto
dell'azienda Hypres Inc.).
La trasmissione di segnali di tempo e frequenza campioni attraverso fibra ottica ha visto uno sviluppo
estremamente significativo nell’ultimo decennio. Due motivazioni principali hanno portato i maggiori
istituti metrologici nel mondo ad investire sue queste tematiche. In primo luogo l’inadeguatezza dei
sistemi di trasmissione satellitare rispetto alla stabilità ed all’accuratezza attualmente raggiungibile con la
nuova generazione di orologi atomici ottici. In secondo luogo la crescente richiesta di garanzia di
accuratezza, affidabilità ed integrità dei sistemi di datazione degli eventi [Lisdat 2016].
Per la trasmissione di segnali di frequenza campione si è sviluppata la tecnica nota come “Doppler noise
cancellation”, che consiste nell’utilizzo di una fibra ottica in maniera completamente bidirezionale, in
modo da poter misurare e cancellare all’origine il rumore di fase aggiunto dalla fibra a causa delle
vibrazioni e della sua variazione di lunghezza ed indice di rifrazione causata dalle fluttuazioni termiche.
Questa tecnica sperimentata su scala continentale in Europa permette di collegare tra di loro laboratori
distanti anche più di 1000 km, per effettuare confronti di frequenza o disseminare segnali campione con
un’accuratezza relativa di frequenza migliore di 1E-18. [Predhel 2012] In Italia INRIM è protagonista di
questa attività di ricerca avendo sviluppato un’estesa rete nazionale (quasi 2000 km di fibra) ed ha
sperimentato una molteplicità di tecniche innovative per la gestione e l’implementazione di questo
sistema. [Calonico 2015]
In questo contesto, INO-CNR ha sviluppato negli ultimi anni specifici sistemi ottici ed elettronici per
l’utilizzo dei segnali metrologici di tempo e frequenza distribuiti in fibra da INRIM. In particolare, è stata
sviluppata la parte ottica di distribuzione del segnale a diverse frequenze attraverso l’utilizzo di pettine
ottico di frequenza a larga banda e laser a singola frequenza a banda stretta, nonché tutti i sistemi di
aggancio in fase necessari allo scopo.
Per quanto riguarda invece la trasmissione del tempo sicuro sono attualmente allo studio diversi sistemi,
basati su tecniche satellitari e terrestri che mirano a garantire la riferibilità assoluta dei segnali a UTC.
Entrambe queste tecniche hanno mostrato alcune criticità legate alla loro affidabilità e praticità di utilizzo
che sono attualmente oggetto di estensivi studi sperimentali.
Il vantaggio delle tecniche per la trasmissione dei segnali di tempo in fibra consiste nella maggior
protezione fornita dal mezzo rispetto alle tecniche satellitari. Per poter sabotare il segnale è infatti
necessario avere accesso fisico alla fibra, e poiché la trasmissione dei dati sensibili avviene su canali
riservati, separatamente dal traffico internet, è molto difficile poter accedere e corrompere questi segnali.
INRIM sta concretamente lavorando per sperimentare queste innovative tecniche con importanti partner
industriali e finanziari. A titolo esemplificativo per ottemperare alla nuova direttiva europea MIFID II,
[ESMA 2016] Borsa Italiana sta considerando di realizzare una connessione in fibra con INRIM per la
___________________________________________________________________________________
15
certificazione dei server di datazione delle operazioni finanziarie. Una sperimentazione è in corso per
portare il segnale di tempo dell’INRIM verso il centro Telespazio del Fucino, ove può essere utilizzato per
migliorare la qualità dei servizi di navigazione spaziale e per controllare la scala di tempo utilizzata nel
sistema di navigazione Europeo Galileo.
Il progetto QASCO si occuperà dello sviluppo delle tecnologie e dei sistemi di misura necessari per i
collegamenti QKD in fibra (ma senza escludere la possibilità di trasmissione in aria da e per stazioni mobili
vicine). In particolare, sarà necessario sviluppare sorgenti efficienti e ben caratterizzate di singoli fotoni e
sistemi di rivelazione operanti in condizioni e a lunghezze d’onda diverse.
La manipolazione ottica di singole molecole organiche è valsa il premio Nobel in chimica nel 2015 a E.
Betzig, S. Hell ed E. Moerner anche perché esse sono state le prime sorgenti nello stato solido a generare
luce con statistica non classica. Un elevato controllo sulle caratteristiche ottiche (modo spaziale, tasso di
emissione) dei fotoni emessi si ottiene accoppiando i nano-emettitori a strutture fotoniche quali cavità
ottiche, guide d’onda o antenne ottiche [Lounis2000, Toninelli2010, Sipahghil2014, Checcucci2016]. I
quantum dots sono da tempo oggetto di grande interesse per il loro possibile uso nella realizzazione di
sorgenti di singolo fotone e di fotoni entangled, elementi chiave della crittografia quantistica e del
quantum computing [Birindelli2014 e sue referenze].
Saranno inoltre prese in considerazione anche le peculiarità delle diverse regioni spettrali, pertanto
verranno sviluppate tecniche sperimentali di conversione di frequenza. E’ infatti noto che le
comunicazioni in fibra ottica necessitano di luce a 1.55 µm, le trasmissioni in aria funzionano meglio nel
visibile e nel vicino infrarosso (400-800 nm), mentre i fotoni nel medio infrarosso (MID-IR) da 3 µm a 10
µm riescono a propagarsi attraverso nebbia e fumo. A tal proposito si possono realizzare processi di up-
conversion e down-conversion in cristalli non-lineari quali cristalli di Niobato di Litio periodically-poled
(PPNL) con efficienze di conversione tra il 40% e l’80%. Un altro modo per ottenere conversione di
frequenza sfrutta le proprietà non lineari dei Risonatori “Whispering Gallery Mode” (WGMRs). Nella
regione telecom esistono dei WGMRs con altissimi fattori di qualità Q (dell’ordine di 1010). In questi
oggetti è già stata dimostrata la generazione non-lineare nel medio infrarosso con basse potenze di
pompa e questo apre la strada a schemi di “up/down-conversion” per sfruttare al meglio i rivelatori a
singolo fotone in silicio o dei rivelatori a singolo fotone superconduttivi nel NIR. Tutte queste tecnologie
sono ben conosciute dal CNR-INO e ne verranno investigate le possibili applicazioni in ambito QKD nel
corso del progetto.
Si lavorerà inoltre sul fronte dei rivelatori a stato solido (in particolare su rivelatori basati su
AvalanchePhotoDiode –APD-). Quando l'APD viene operato in Geiger mode (Single-PhotonAvalanche
Detector, SPAD) diventa estremamente efficace nella rivelazione di singoli fotoni [Goltsman2001,
Hadfield2009]. Gli SPAD di maggiore successo sono realizzati in silicio, con alta efficienza quantica per
lunghezze d'onda inferiori ad 1 μm. Poiché gli SPAD hanno area modesta si è sviluppata una tecnologia
alternativa, quella dei SiliconPhotomultipliers (SiPM). Questi sono costituiti da una matrice di SPAD,
ottenendo in questo modo aree di rivelazione elevate, dell'ordine di molti mm2.
IMM ha realizzato dispositivi SPAD e SiPM con conteggio di buio minimizzato fino ai limiti fisici ultimi,
riducendo all'estremo le difettosità dovute ai processi tecnologici di fabbricazione, ottenendo una
corrente da conteggi di buio limitata esclusivamente dal meccanismo intrinseco della diffusione di
___________________________________________________________________________________
16
minoritari dall'emettitore [Pagano2012, Pagano2013]. Gli SPAD in silicio e SiPM operano con alte
efficienze quantiche a lunghezze maggiori o uguali a 1000 nm, cioè in prima finestra per le comunicazioni
su fibra. Per la rivelazione di singoli fotoni in seconda e terza finestra (1300 e 1550 nm) sono stati proposti
SPAD in semiconduttori III-V a eterostruttura quali InGaAs/InP e InGaAs/InAlAs con strutture separate per
assorbimento, accelerazione, e moltiplicazione di carica. Tali rivelatori tuttavia hanno bisogno di un
trigger elettronico per ridurre i conteggi di buio a livelli accettabili.
Un'alternativa ai dispositivi ad eterostrutture III-V potrebbero essere gli SPAD di germanio. La gap del
germanio (0.6 eV) è perfettamente adatta alla rivelazione nella finestra delle telecomunicazioni su fibra a
1.5 μm. Inoltre, wafer di germanio allo stato dell'arte presentano densità di difetti molto basse, e la
tecnologia planare in germanio sta migliorando considerevolmente grazie al notevole interesse suscitato
nella comunità scientifica dalle grandi potenzialità che il germanio presenta nell'ambito delle tecnologie
CMOS di ultima generazione ad alta performance. Quindi riteniamo che gli SPAD di germanio
rappresentino un promettente approccio alla rivelazione di singolo fotone alle lunghezze d'onda delle
telecomunicazioni su fibra.
Dal punto di sviluppo dello sviluppo di nuovi rivelatori di singolo fotone un’attività del progetto sarà
rappresentata dallo sviluppo di rivelatori superconduttivi basati su nano-filo (SNSPDs) [Goltsman2001,
Hadfield2009], che sono in grado di garantire alte velocità di conteggio in un intervallo di lunghezze
d'onda che va dall'UV fino all'IR oltre i 1550 nm. La ricerca in questi ultimi anni non solo ha allargato le
conoscenze sulla fisica fondamentale coinvolta in questo tipo di rivelatori ma ha anche prodotto notevoli
progressi nel loro design e livello di integrazione in modo da poter ottenere oggi sistemi integrati di
grande facilità d’uso [Marsili2013, Rosenbers2013, Miki2013]. Gli SNSPD per la loro velocità ed efficienza
di rivelazione possono rappresentare un cambio di paradigma per le emergenti tecnologie quantistiche a
singolo fotone, tra cui, in particolare la QKD. Le caratteristiche dei rivelatori superconduttivi a singolo
fotone sono rese ancora più interessanti dalle possibilità di integrazione con elettronica di read-out
anch'essa superconduttiva basata su logica Rapid Single Flux Quantum (RSFQ) in grado di processare un
elevato numero di segnali provenienti dai rivelatori SNSPDs con frequenze dell'ordine di 100GHz.
E’ Inoltre fondamentale individuare e studiare i migliori tipi di codifica dell’informazione quantistica, che
permettano la massima efficienza e sicurezza. Negli ultimi anni, agli schemi standard basati su singoli
fotoni e ad una codifica binaria dell’informazione quantistica (generalmente nella polarizzazione del
fotone) si sono affiancate nuove proposte e realizzazioni, basati su impulsi di luce classici e variabili
continue [Grosshans2002, Grosshans2003, Jouguet2013], sulla codifica su gradi di libertà spettrali e
temporali [Polycarpou2012]. Tali schemi alternativi presentano grandi vantaggi legati all’alta efficienza e
selettività della rivelazione (tramite schemi omodina) ed alla possibilità di manipolare l’informazione in
modo deterministico in protocolli avanzati quali il teletrasporto ed i ripetitori quantistici [Furusawa1998].
Gli schemi di codifica dell’informazione a variabili continue (CV-QKD), si basano su sorgenti di
entanglement deterministico e recentemente sono stati verificati sia lo schema di principio in laboratorio
[Madsen 2012] che sorgenti di luce squeezed pronte per essere integrate nelle reti a fibra ottica esistenti
[Kaiser 2016].E’ quindi essenziale affiancare nuove sorgenti e nuovi rivelatori a quelli esistenti, al fine di
sfruttare la miglior codifica dell’informazione nelle varie sezioni di un sistema di comunicazione
quantistica globale. Inoltre dovranno essere sviluppati anche schemi efficienti per interfacciare tali
sezioni; INO-CNR ha una comprovata esperienza in questo settore che sarò messa al servizio del progetto.
___________________________________________________________________________________
17
Obiettivi scientifici e tecnologici
Il progetto mira a raggiungere i seguenti obiettivi scientifici e tecnologici:
Integrazione e interazione tra le tecniche di sicurezza classica e quantistica.
Comunicazioni QKD a lunga distanza mediante l’utilizzo di trusted nodes.
Sviluppo di una dorsale quantistica sperimentale italiana.
Sviluppo di nuova strumentazione per la comunicazione quantistica.
Sperimentazione di trasmissione di tempo sicuro e certificato.
Nel seguito del paragrafo dettagliamo lo sviluppo scientifico previsto dal progetto.
Integrazione tra sicurezza classica e quantistica
Internet é un conglomerato eterogeneo di nodi di calcolo che condividono un set omogeneo di protocolli
di comunicazione. Consideriamo una struttura flessibile e confidenziale per la gestione della sicurezza in
una rete di nodi IoT tramite la condivisione di informazione e la creazione di Security Service Level
Agreements (SSLA) per lo scambio di informazione. Nel nostro scenario i fornitori (provider) di dati sono
anche i consumatori (consumer) dei risultati d’analisi, quindi tipicamente saranno questi i nodi di una
rete. Questi potranno definire i meccanismi e livelli di sicurezza dello scambio, decidendo di volta in volta
il meccanismo di sicurezza più appropriato. La struttura permetterà ai nodi della rete di definire i propri
SSLA per esprimere i loro requisiti contrattuali per fornire e utilizzare le loro informazioni e possibilmente
i meccanismi usati per scambiare i dati e le tecniche di cifratura da effettuare sui dati.
Le componenti chiave del sistema sono:
Meccanismi per la protezione dei nodi.
Meccanismi per la prevenzione e identificazione di intrusione su rete.
Insieme di tecnologie per consentire l’analisi collaborativa di dati di sicurezza che permette di eseguire computazioni in maniera confidenziale e distribuita.
Studio ed ottimizzazione dei meccanismi di sicurezza utilizzati per rispettare i SSLA.
In questo modo, la federazione di nodi potrà capire la presenza di attività malevole nascoste, e abiliterà
ulteriori scenari legali come identificazione e gestione di frodi e garanzia di correttezza sull’utilizzo delle
risorse di sistema. In particolare il sistema permetterà:
Interoperabilità e portabilità tra nodi cooperanti che si accordano a scambiare e condividere informazioni sugli eventi.
Analisi di data pattern: raccolta e analisi di dataset su larga scala e metodologie di ottimizzazione per riconoscere dati significativi per migliorare la conoscenza situazionale per sicurezza cyber e physical.
Integrazione e sinergie tra meccanismi di sicurezza classici con QKD.
Sicurezza migliorata per reti IoT e comunicazioni tra sensori.
___________________________________________________________________________________
18
Figura 1 – Sinergie tra sicurezza classica e tecniche quantistiche
Un approccio adottato nel progetto per accrescere la sicurezza può essere riassunto dal ciclo Raccogli,
Analizza, Informa e Reagisci (collect, analyse, inform, react).
Per capire meglio l’importanza della condivisione delle informazioni, dell’analisi collaborativa
consideriamo la situazione in cui i dati disponibili per una compagnia, per esempio un Internet Service
Provider (ISP) riguardanti i suoi log di comunicazione. Condividendo questi dati tra diversi ISP, con un
servizio di analisi, si semplifica l’identificazione di attacchi, pur introducendo una criticità di privacy dovuta
ai dati sensibili che possono essere contenuti nei log e che devono essere protetti dall’ISP a norma di
legge. Infatti i log analizzati contengono spesso informazioni che non dovrebbero essere rese pubbliche,
nemmeno sotto forma di risultati dell’operazione, che se ridistribuiti potrebbero danneggiare l’iniziale
privacy dei dati.
La condivisione dei dati mediante un server che rispetti i requisiti dei nodi potrebbe essere
particolarmente interessante ed efficiente. In questo caso le tecnologie per implementare politiche data
centric potrebbero essere anche la soluzione stessa del problema.
In seguito, i risultati vengono inviati a un’entità centralizzata di data mining, che esegue l’analisi
collaborativa dei dati. La perdita di informazione (information loss) dipende dall’operazione privacy
preserving svolta in locale ed è misurata come una variabile d’influenza per l’accuratezza finale del
risultato. Le politiche di sicurezza (e.g. protocolli usati, lunghezza delle chiavi), sono stabilite di comune
accordo ed in maniera flessibile tramite SSLA.
Nel progetto si investigherà come condividere i dati per analizzare la rete e come al tempo stesso si
potranno anche usare SSLA per definire le politiche di sicurezza per tali dati. Per esempio, se un nodo
richiede di stabilire un canale ad elevato livello di sicurezza, può richiedere l’uso di strumenti crittografici
in cui le chiavi siano distribuite tramite QKD. Il framework assicurerà che le policy siano rispettate in ogni
momento. I nodi possono decidere che tipologia di cifratura debba essere eseguita sui dati che
forniscono, le politiche di memorizzazione e anche i nodi che possono usare i risultati dell’analisi su questi
___________________________________________________________________________________
19
dati. Il progetto incarna in una singola framework tutti i vantaggi dell’architettura di analisi dei dati
collaborativa più la possibilità di configurare i protocolli di sicurezza usati per scambiare i dati.
Il progetto identificherà poi strumenti di sicurezza appropriati che rispettano i SSLA definiti a priori tra i
nodi della rete. Questa prospettiva, il compromesso tra sicurezza e performance e dell’analisi e
conformità ai SSLA sarà studiata e caratterizzata a fondo.
In questo ambito sarà di particolare rilevanza studiare come applicare i protocolli QKD in aspetti classici di
sicurezza. Si potranno studiare quindi reti di QKD e come utilizzare tali reti anche per protocolli con end-
points in ambiente wireless.
Sicurezza quantistica
Lo scenario più avanzato per quanto riguarda le reti QKD prevede lo scambio di chiavi point-to-point su
scala metropolitana, mentre per scambi su distanza più lunga, inter-metropolitana o nazionale, sarà
necessario sviluppare dei trusted node. Questo è un’area protetta comune dove i trasmettitori (o i
ricevitori) di due sistemi QKD point-to-point possono sfruttare un protocollo di comunicazione che
permetta di condividere la chiave crittografica tra gli estremi (distanti) dei due sistemi QKD; una struttura
sequenziale di sistemi QKD point-to-point in fibra ottica connessi tramite trusted node permetterà di fare
distribuzioni di chiavi crittografiche su distanze arbitrariamente grandi.
Una volta che la QKD su lunga distanza sarà realizzata, il passo successivo sarà l’implementazione di
protocolli di comunicazione quantistica più avanzati come il teletrasporto quantistico e l’entanglement
swapping. Sarà necessario inoltre implementare la purificazione e la conservazione di stati quantistici in
memorie quantistiche al fine di realizzare i cosiddetti ripetitori quantistici. I ripetitori quantistici, oggi
oggetto di attiva ricerca nei laboratori di tutto il mondo, potranno in un futuro rimpiazzare i trusted node.
Ma al momento, il trusted node appare l’unica ragionevole soluzione per applicazioni della QKD point-to-
point su scala nazionale. Per questo motivo uno degli obbiettivi primari di questo progetto è sviluppare
una architettura di trusted node. Questo trusted node verrà implementato in un contesto di applicazione
reale, ovvero nell’ambito della realizzazione della Dorsale Quantistica italiana realizzata a partire dai
collegamenti in fibra ottica dell’INRIM già esistenti ed operanti per la trasmissione di riferimenti di
frequenza campione.
Dorsale quantistica
La Dorsale Quantistica inter-metropolitana rappresenta una delle più avvincenti sfide tecnologiche di
questo progetto. Oltre a realizzare la coesistenza della distribuzione quantistica delle chiavi crittografiche
e della distribuzione del tempo atomico certificato (trusted time) si ambisce anche ad integrare questi due
tecnologie quantistiche (le più avanzate dal punto di vista tecnologico/commerciale). Nello specifico,
poiché i sistemi QKD necessitano di sincronizzazione (che in genere viene garantito dal canale di
comunicazione classico tra trasmettitore e ricevitore), si intende investigare la possibilità di sfruttare la
distribuzione di trusted time per mantenere sincronizzati il trasmettitore ed il ricevitore del sistema QKD,
senza bisogno di una comunicazione diretta (classica) tra i due apparati. Questo, in prospettiva
semplificherebbe notevolmente il funzionamento dei sistemi QKD. Allo stesso tempo, verrà investigata la
possibilità di utilizzare la presenza della QKD in contemporanea al segnale di tempo atomico, per la
protezione del segnale di tempo stesso. Infatti la trasmissione del trusted time offre ad oggi i più elevati
___________________________________________________________________________________
20
standard di sicurezza classica (comunicazione certificata point to point), ma non è coperto da cyber-
attacchi che possono agire sulla struttura hardware della rete; una compresenza di comunicazione QKD
invece garantirebbe una completa inviolabilità della rete stessa.
La dorsale inter-metropolitana sviluppata nell’ambito di questo progetto rappresenta una sfida a livello
mondiale. Infatti, per quanto, su scala metropolitana reti QKD dimostrative sono state o sono sviluppate
in buona parte dei paesi avanzati (sono state realizzate reti QKD a Boston, Vienna, Tokio, Singapore),
attualmente non esiste alcuna rete QKD inter-metropolitana o su scala nazionale, per quanto ci siano
progetti attivati in questo senso in Cina, Stati Uniti, Corea del Sud e Regno Unito. Tutti questi progetti
hanno come obbiettivo unico la realizzazione di una rete QKD, mentre il nostro obiettivo è di integrare la
QKD in un sistema più complesso di servizi evoluti e di tecnologie quantistiche tra di loro integrate in
modo funzionale.
Una volta dimostrata la fattibilità della QKD su tratte intermetropolitane, il suo successo commerciale
dipenderà anche dalla fiducia degli utilizzatori. In termini di sicurezza delle comunicazioni, la fiducia si
conquista con lo sviluppa di standard per la QKD. Per lo sviluppo di questi standard è nato un gruppo di
lavoro in ambito ETSI, di cui INRIM è parte integrante dalla sua fondazione, che sostiene la necessità dello
sviluppo di una struttura metrologica in grado di fornire una caratterizzazione adeguata degli elementi
ottici utilizzati nei collegamenti QKD. Infatti, i sistemi QKD, basati su trasmissione in “free-space” o in fibra
ottica, utilizzano dispositivi reali come sorgenti e rivelatori a singolo fotone che non possono avere le
caratteristiche di idealità proprie del paradigma originale della QKD. Ciò significa che questi sistemi pratici
possono essere vulnerabili ad attacchi di pirateria informatica che colpiscono le non-idealità dei sistemi
QKD reali (nel seguito ci riferiremo a questi attacchi con la locuzione “quantum-hacking”). L’unico modo
per garantire l’affidabilità dei dispositivi a singolo fotone e degli elementi ottici di ricevitori e trasmettitori
per sistemi QKD, così come l’affidabilità delle contromisure adottate nei confronti del quantum-hacking, è
quello di sviluppare un sistema di misure in grado di fornirne una completa caratterizzazione a livello
metrologico. Lo sviluppo della strumentazionemetrologica per garantire la riferibilità delle misure a
singolo fotone, necessaria per la caratterizzazione di sorgenti e rivelatori per la QKD, è una delle principali
necessità della nascente industria della QKD per garantire la qualità dei propri prodotti, ed è uno degli
obiettivi di questo progetto, che si affianca ad altre attività in questo senso già esistenti in INRIM
finanziate dalla comunità Europea (specificatamente i progetti EMRP “MIQC”, EMPIR “MIQC2”).
Il progetto proposto è molto ambizioso, ma offre la possibilità di svolgere ricerca che potrebbe avere un
rilevante impatto sia tecnologico che economico nel prossimo futuro. Le conoscenze e le competenze
tecnologiche a livello europeo e internazionale sono fondamentali per il suo successo. Al fine di
raggiungere gli obiettivi proposti, in QASCO sono presenti esperti provenienti da diversi settori scientifici
che esprimono le più alte competenze nazionali in materia. Il lavoro proposto in questo progetto
costituisce un passo in avanti verso la realizzazione di un canale quantistico affidabile contenente le due
tecnologie quantistiche più avanzate dal punto di vista delle applicazioni pratiche: la QKD, e la
distribuzione del tempo atomico. Il progetto avrà importanti ricadute per la ricerca anche nel campo della
fisica fondamentale; la visione è quella di realizzare per la prima volta uno sforzo che valorizzi specifiche
competenze e risultati di frontiera italiani e che formi la traccia di sviluppo della comunicazioni basate
sulle tecnologie quantistiche per settori diversi della società, industria e governo italiani.
___________________________________________________________________________________
21
Seppure la QKD sia tecnologicamente pronta per poter sostenere sperimentazioni in campo reale anche
su lunga distanza è necessario continuare le attività di ricerca su un complesso di componenti scientifici di
base per renderla sempre più efficiente e sempre più adatta a contesti telecom generici.
Nuova strumentazione
All’interno del progetto è rilevante la ricerca volta allo sviluppo di nuova strumentazione “a singolo
fotone”. Il progetto propone di sviluppare e caratterizzare nuovi rivelatori a singolo fotone basati sulla
tecnologia dei semiconduttori, quali (i) SPAD di nuova generazione di elevate prestazioni grazie ai
miglioramenti recenti nell’ambito delle tecnologie del Germanio; (ii) Si-Photomultipliers (SiPM) con bassi
conteggi di buio che garantiscano un’aree di rivelazione grande per semplificare i problemi di
allineamento nei sistemi telescopici; (iii) rivelatori a singolo fotone basati sulla tecnologia superconduttiva
SNSPD e su nuove configurazioni basate anche sulla coerenza di fase quantistica in nanofili che utilizzano
l'effetto prossimità in strutture del tipo superconduttore-normale-superconduttore. Quest’ultima
tipologia di nanostruttura implementa un prototipo del cosi detto proximity Josephson sensor (PJS) che é
stato concepito in collaborazione tra gli Istituti CNR Nano e Spin. In un PJS ottimizzato si prevede di
ottenere rivelazione a singolo fotone nella regione spettrale nel medio e lontano infrarosso con rapporto
segnale/rumore dell’ordine di 102-103 e potere risolutivo di circa 5-10 nella suddetta regione spettrale. Per
contro in operazione bolometrica, cioè in assorbimento di potenza fotonica continua, ci si attende un NEP
dell’ ordine di 10-20 Watt Hz-1/2 a temperatura di operazione dell’ordine di 10-100mK. Il PIS sarà integrato
con sistemi di lettura SQUID accoppiati induttivamente al circuito.
Nell'ambito dei rivelatori a semiconduttore per singolo fotone, si propone di studiare e ottimizzare SPAD
in silicio e SiPM per il loro funzionamento nel la regione spettrale di lunghezza d’onda 800-1000 nm -
prima finestra per le comunicazioni in fibra - con l'obbiettivo di migliorare efficienza quantica e jitter. Per
la rivelazione di singoli fotoni in seconda e terza finestra (1300 e 1550 nm) si studieranno le potenzialità di
SPAD di germanio con l'obiettivo di minimizzare i conteggi di buio.
I rivelatori SNSPDs sono invece dispositivi che impiegano appieno le nanotecnologie basandosi su film
estremamente sottili (tipicamente con spessori <5 nm), fabbricati con geometrie tali da aumentare l'area
efficace di rivelazione. L'elevata sensibilità al singolo fotone si coniuga con elevate efficienze quantiche di
rivelazione (in un SNSPD ideale 100% @1550nm), alta velocità di conteggio (>1GHz), livelli molto bassi di
conteggi di buio (1Hz), jitter estremamente ridotti (<50ps), bassi tempi di reset in seguito a formazione
del segnale, ed operatività in free-running. La ricerca sui materiali offre importanti gradi di libertà per
accordare l'efficienza quantica nella regione spettrale infrarossa, mentre conoscenze di fisica
fondamentale nel regime mesoscopico, che sottende ai principi di funzionamento di tali dispositivi,
consentono anche interessanti sviluppi connessi al ruolo del parametro di fase superconduttiva nelle
prestazioni di tali rivelatori avanzati. Verranno valutate integrazione tra rivelatori SNSPDs ed elettronica
digitale superconduttiva (in collaborazione con Hypres Inc.) per l'ottimizzazione del trattamento di molti
segnali con frequenze di operazione dell'ordine di 100GHz.
Verranno inoltre sviluppate sorgenti quantistiche innovative a singolo fotone da utilizzare al posto delle
sorgenti laser attenuate. In particolare saranno investigate sorgenti deterministiche basate su singoli
emettitori quantistici a stato solido e sorgenti a banda ultra-larga basate sulla conversione parametrica di
impulsi ultracorti per codificare l’informazione nei profili spettrali e temporali del singolo fotone.
___________________________________________________________________________________
22
Nel primo caso, seguiremo due strategie: (i) singole molecole organiche in matrici solide come il
Dibenzoterrylene contenuto in cristalli di Antracene, che emettono fotoni indistinguibili nel NIR offrendo
un’ampia flessibilità di funzionalizzazione e integrazione; (ii) centri di colore nei diamanti con difetti
otticamente attivi, ad esempio Silicon-Vacancy(SiV), che possono emettere radiazione polarizzata a 738
nm. Inoltre in questo contesto sarà indagata la possibilità di accoppiare emettitori a singolo fotone nel
NIR con nano-antenne plasmoniche al fine di ottenere un aumento del tasso di emissione spontanea fino
al GHz. Uno dei vantaggi cruciali di questo approccio è dato dalla possibilità di integrare in un’unica
struttura sorgente, guida d’onda e rivelatore. Il successo di questo obiettivo richiederà quindi attività in
sinergia tra tutti i partner del progetto.
Nel secondo caso, investigheremo la possibilità di generare singoli fotoni ultracorti con spettro e profilo
temporale controllati, per permettere la codifica dell’informazione quantistica su gradi di libertà diversi e
a più dimensioni invece della codifica binaria standard in polarizzazione. Strettamente collegato a questo
argomento è lo sviluppo di rivelatori omodina innovativi, in grado di leggere in modo efficiente e selettivo
l’informazione codificata in tali gradi di libertà.
Emettitori di singolo fotone saranno inoltre realizzati in eterostrutture (InGa)As/GaAs sulla base di nanofili
di GaAs cresciuti per epitassia da fasci molecolari (MBE) [Ambrosini2011, Priante2013]. Al fine di ottenere
un controllo accurato sulla posizione dei nanofili saranno utilizzati substrati di Si(111) opportunamente
strutturati: in uno strato di ossido di silicio verranno create delle sedi, nelle quali avverrà la nucleazione
dei nanofili stessi [Munshi2014].
Al variare della composizione della lega e delle dimensioni della sezione di (InGa)As/GaAs, eventualmente
anche grazie all’incorporazione di piccole percentuali di azoto [Bais05], sarà possibile spingersi fino a
lunghezze d’onda utili per le telecomunicazioni in fibra (1.55 micron). La caratterizzazione delle proprietà
ottiche delle nanostrutture avverrà tramite fotoluminescenza (PL) e PL risolta in tempo. L’efficacia delle
stesse come emettitore di fotoni singoli verrà valutata tramite misure di correlazione di fotoni su QDs
singoli [Birindelli2014].
Come accennato precedentemente, una volta che la QKD su lunga distanza basata su trusted nodes,
sorgenti affidabili di singolo fotone e relativi rivelatori, sarà realizzata e pienamente operativa, il passo
successivo sarà l’implementazione di protocolli di comunicazione quantistica più avanzati. Ciò consentirà
di evitare il ricorso ai trusted nodes e alla conseguente interruzione della catena quantistica di QKD
attraverso il teletrasporto quantistico e l’entanglement swapping. Un cosiddetto ripetitore quantistico
andrà quindi a sostituire i trusted nodes, ma per giungere a ciò sarà comunque necessario sviluppare
tecniche per la purificazione e la conservazione degli stati in memorie quantistiche. Verranno quindi
sviluppate sorgenti di luce squeezed a due modi compatibili con le reti a fibra ottica esistenti e verificate
le possibilità di distribuire in fibra tali stati di luce squeezed generati in componenti ottici telecom
standard, con l‘obiettivo di realizzare sistemi crittografici più immuni sia al rumore che all’efficienza
quantica dei rivelatori. Verrà inoltre studiata la fattibilità di utilizzare la rete INRIM per entanglement
swapping tra stazioni distanti.
Si continuerà ad investigare tecniche per l’amplificazione noiseless di segnali ottici basate sull’aggiunta e
la sottrazione controllata di singoli fotoni, con la prospettiva di utilizzarle per rigenerare il segnale QKD
nelle stazioni intermedie senza aggiunta di rumore. Al tempo stesso, si studierà l’uso dell’entanglement
___________________________________________________________________________________
23
ibrido per interfacciare tratti della rete e flussi di informazione con codifiche a variabili discrete e
continue.
Nel corso del progetto QASCO verranno svolti studi di fattibilità volti a verificare la possibilità di creare
entanglement tra diversi tipi di sistemi e distribuirlo attraverso lo scambio di radiazione nel network in
fibra esistente. Verranno valutate diverse configurazioni per il sistema materiale con cui interagire per la
memorizzazione dell’informazione quantistica. Varie piattaforme sono attualmente allo studio e in
avanzata fase di sperimentazione presso vari laboratori di CNR-INO. Dai campioni atomici caldi, freddi e
condensati, alle molecole fredde, fino alle impurità in nanocristalli di diamante. Ognuno di questi sistemi è
caratterizzato da diverse lunghezze d’onda ottimali per l’interazione con la luce e da diversi tempi di
coerenza, e sarà quindi necessario uno studio approfondito per l’individuazione dei migliori protocolli di
comunicazione, nonché delle tecniche di frequency up- e down-conversion o frequency shaping
necessarie per l’ottimizzazione della lunghezza d’onda dei singoli fotoni nelle varie fasi.
IMM ha proposto di usare tecniche “open loop” di disaccoppiamento dinamico in memorie quantistiche,
dimostrandone sperimentalmente l'efficacia nella recuperare correlazioni quantistiche deteriorate dal
rumore [D'Arrigo2014, Orieux2015]. Potenzialmente queste tecniche consentono di estendere il raggio
della comunicazione quantistica in reti distribuite, minimizzando in particolare gli effetti del rumore con
memoria [D'Arrigo2007, Caruso2014] e dei difetti delle sorgenti. Saranno studiate in implementazioni
modello di piccole reti quantistiche aperte. Saranno anche sviluppati schemi di misura di architetture
quantistiche in presenza di rumore, basati sugli stessi protocolli di controllo quantistico.
CNR-INO proseguirà inoltre nello sviluppo della strumentazione elettronica per l’estrazione dei deboli
segnali metrologici dal fondo di rumore e della parte ottica di distribuzione del segnale a diverse
frequenze (con agganci in fase a laser ultrastretti o a frequency combs) per un utilizzo ottimale dei segnali
ottici -sia classici che quantistici- prelevati dalle fibre.
Infine, nel corso del progetto QASCO verrà avviato un esperimento congiunto per verificare l'impatto
delle nuove tecnologie sviluppate nella caratterizzazione di protocolli di sicurezza adottati nella QKD.
L'esperimento si baserà sull'applicazione di uno schema Differential Phase Shift (DPS) QKD test in cui
impulsi provenienti da una sorgente di singoli fotoni (INO, IMM) vengono inviati su una fibra ottica a
bassa attenuazione, fino a raggiungere il ricevitore dove vengono processati con un interferometro di tipo
Mach-Zehnder (INO, INRIM) che ritarda il treno di impulsi di n=1, Le uscite dell'interferometro sono
collegate a rivelatori, che potranno essere anche a singolo fotone (SPIN, IMM, NANO).
Tempo atomico certificato e sicuro
La distribuzione di tempo atomico certificato in ambiti ove si richiede un elevato standard di sicurezza
richiederà uno sforzo di ricerca rilevante soprattutto riguardo alle tecniche da adottare e per
l’integrazione di metodi sperimentali provenienti dagli ambienti di metrologia primaria. Pertanto, il primo
obiettivo del progetto in questo ambito sarà quello di identificare le architetture e i metodi più idonei agli
scenari di sicurezza. Sarà necessario lo sviluppo di due temi di ricerca fondamentali per permetter la
scalabilità e l’uso dei vantaggi del tempo atomico: i) l’integrazione dei sistemi tempo a quelli informatici e
ii) la resilienza agli attacchi malevoli, che in genere non sono considerati nella metrologia primaria. Da
___________________________________________________________________________________
24
queste attività potrà emergere un trasferimento tecnologico importante, che è esso stesso un obiettivo
strategico del progetto.
La parte di integrazione si occuperà di investigare le architetture di sistema che meglio rispondono alle
richieste di sicurezza, con particolare cura verso l’interoperabilità tra elementi dei network reali e
dispositivi di distribuzione di tempo atomico. Partendo da questa integrazione, il progetto studierà quanto
i componenti di una rete utente possano beneficiare dell’incremento dei livelli di timing.
Per chiarire con alcuni esempi, in ambito finanziario occorre che i server di trading non degradino in
ultima istanza il tempo atomico distribuito in remoto, che i sistemi di security di primo livello come
firewall e altri meccanismi non distorcano il protocollo di distribuzione del tempo, che la rigenerazione del
tempo lungo tratti lunghi sia priva di corruzione. Dal punto di vista dell’utente, tuttavia, i protocolli di
distribuzione di tempo devono tenere conto dell’interoperabilità con le componenti esistenti, il che potrà
essere una condizione al contorno dominante per le tecniche da usare.
Le tecniche da investigare saranno almeno due. La prima è basata su una derivazione e un miglioramento
dei protocolli di Precise Timing Protocol (PTP) su fibra ottica, standardizzati dalla norma IEEE 1588v2. Da
questo standard deriva un’implementazione nota come White Rabbit, che permette di raggiungere al
tempo stesso grande robustezza e accuratezza nella distribuzione di tempo certificato. Per migliorare lo
stato dell’arte e risolvere alcuni problemi aperti, la ricerca richiede di migliorare la capacità di auto
taratura e certificazione laddove sia necessario aggiungere strutture di sicurezza come ridondanza di
cammini ottici, possibilità di swap delle fibre, scarso controllo degli elementi attivi della rete trasmissiva,
che possono falsare in modo non malevolo l’accuratezza della sincronizzazione o della datazione.
La seconda tecnica ha come obiettivo specifico quello di migliorare la stabilità del segnale di tempo
trasmesso. Oggi i protocolli di distribuzione di tempo atomico in fibra raggiungono già il più elevato tasso
di stabilità, che consente di ottenere livelli sub-nanosecondo in real time. anche se questo livello è
migliorativo rispetto alle altre tecniche, ancora è limitante rispetto alle possibilità dei riferimenti di
laboratorio. In altre parole, gli orologi atomici di nuova generazione hanno accuratezza e stabilità migliori,
che la tecnica di distribuzione non consente ancora di trasferire in real time. Ai fini della sincronizzazione
di network IoT, dei trusted nodes della QKD e dei sistemi di telecomunicazione, il progetto intende
portare oltre lo stato dell’arte questa caratteristica, contenendo la complessità di soluzioni possibili ma
estremamente articolate e di limitata robustezza, che non sarebbero indicato in ambiente security. La
linea di ricerca porterà a una trasmissione coerente di portanti ottiche ultrastabili che trasporteranno il
tempo atomico generato dagli orologi a più alta performance con rivelazione coerente: la capacità di tale
tecnica di non degradare il segnale dell’orologio campione all’origine e il livello di prestazioni e di
robustezza operativa sono ancora un tema aperto della ricerca internazionale.
Un secondo obiettivo del progetto investe il tema della resilienza della distribuzione del tempo atomico
certificato in fibra agli attacchi malevoli. Questo ambito di ricerca non è ancora sviluppato a livello
internazionale e rappresenta un ritardo scientifico e tecnologico potenzialmente problematico. Infatti, nel
momento in cui la sincronizzazione diventa un elemento fondante per la sicurezza di network come quello
finanziario o della smart grid elettrica, la possibilità che anche questo canale di sincronizzazione e timing
sia attaccato riveste un interesse dominante.
___________________________________________________________________________________
25
In questo ambito le competenze INRIM devono integrarsi con quelle di CNR per indagare il tema offrendo
delle soluzioni competitive di integrità dei sistemi. La sperimentazione avrà come obiettivo l’uso della
QKD come tecnica di certificazione che il canale di distribuzione del tempo atomico non sia stato
attaccato; questo sarà possibile utilizzando le risorse a disposizione di INRIM. Al tempo stesso, la capacità
di strutturare simulazioni di attacco da parte del CNR consentirà di verificare la resilienza del canale di
timing e di predisporre contromisure per alcuni scenari di hacking fisico (per esempio: introduzione di
segnali falsi, sostituzione di segnale ecc.). Saranno studiati modalità Denial of Service ma anche attacchi
più problematici come degradazione di segnale o sostituzione del segnale campione di tempo con
un’informazione errata.
Infine il confronto con il mondo reale degli utenti pone un altro limite che la ricerca deve affrontare,
ovvero il digital divide strutturale rispetto alla capillarità della fibra ottica. Non sempre i siti che si
vorrebbero raggiungere sono serviti da una fibra che lo colleghi agli orologi campione che distribuiscono il
tempo atomico. Per ovviare questo limite il progetto studierà l’applicazione delle tecniche di distribuzione
del tempo su reti ibride, che prendono in considerazioni parti in fibra ottica e parti in trasmissione radio
(wireless). Le trasmissioni wireless di dati è oggi una realtà per molte aree e sta colmando una parte del
Digital Divide di Internet, grazie ai cosiddetti operatori Wireless Internet Service Provider (WISP).
Il progetto svilupperà l’applicazione dei protocolli di timing PTP in ambiente WISP, confrontando
trasmissioni point-to-point con due canali indipendenti: uno completamente in fibra, l’altro su
architettura ibrida, costituita da fibra ottica fino a circa 1-6 km dal punto di arrivo, coperti in soluzione
WISP.
Particolare attenzione sarà posta sulle performance di questa seconda distribuzione e sulle tematiche di
vulnerabilità della certificazione, anche usando l’analisi di resilienza svolta con CNR.
Risultati attesi
La verifica dei risultati del progetto potrà essere effettuata essenzialmente sulla base di tre parametri:
Raggiungimento degli obbiettivi del progetto e sviluppo delle competenze e delle conoscenze.
Capacità di ulteriore attrazione di fondi di ricerca europei e nazionali.
Disseminazione dei risultati attraverso pubblicazioni scientifiche, attività di formazione e copertura da parte di media generalisti dei risultati che emergeranno dal progetto.
Sviluppo delle competenze e delle conoscenze
Il settore delle telecomunicazioni è indubbiamente un campo scientifico e tecnologico di straordinaria
complessità in cui convivono una molteplicità di competenze differenti. Il presente progetto si occupa di
un tema specifico, quello della sicurezza delle comunicazioni, che ha una indubbia rilevanza strategica.
L’impostazione multidisciplinare del progetto incentiva il naturale scambio delle conoscenze che porta ad
una cross-fertilizzazione dei diversi settori scientifici, che porteranno allo sviluppo di nuove tecnologie
applicate al campo della sicurezza delle comunicazioni.
___________________________________________________________________________________
26
Verranno studiate la riferibilità metrologica e delle misure a singolo fotone necessarie per la
caratterizzazione dei dispositivi a singolo fotone dei sistemi QKD. Questo avrà un impatto diretto sulla
standardizzazione dei sistemi QKD, e quindi, indirettamente sul successo e sulla diffusione di questa
tecnologia.
Per fare questo verrà utilizzata la fibra ottica dell’INRIM che collega i laboratori dell’INRIM di Torino alla
sede CNR di Sesto Fiorentino come Dorsale Quantistica Italiana. L’obbiettivo della Dorsale Quantistica
Italiana è quella di dimostrare la possibilità di effettuare una rete QKD che vada oltre alla dimensione
metropolitana (nello specifico si parla di connessione interregionale). La Dorsale Quantistica Italiana ha
anche come obbiettivo dimostrare, per la prima volta al mondo, non solo la coesistenza delle tecnologie
quantistiche più avanzate dal punto di vista pratico sulla stessa fibra: la QKD e la distribuzione del tempo
atomico, ma anche la loro eventuale complementarietà ed interazione con le tecniche di sicurezza classica
più evolute. Si investigherà sia la possibilità di sfruttare la distribuzione del tempo quantistico per a
sincronizzazione dei sistemi QKD, che la possibilità di sfruttare la QKD per garantire la resilienza della
distribuzione del tempo atomico.
Allo scopo di realizzare la distribuzione QKD su scala interregionale sarà necessario realizzare nel progetto
di ricerca i “trusted node”. Lo sviluppo dei “trusted node” e lo sviluppo di tecniche e tecnologie dedicate
alla loro protezione e sicurezza è uno degli obbiettivi fondamentali per il successo del progetto.
Verranno sviluppate e sperimentate in campo reale nuove tecnologie per la disseminazione di segnali di
tempo certificato, che permettano di rendere affidabile e sicura la sincronizzazione ed il time stamping in
vari sistemi, così come viene indicato i vari documenti programmatici che regolano le comunicazioni
wireless, le transazioni finanziarie, le smart grid elettriche.
Attrazione investimenti
Tematiche scientifiche strettamente imparentate con quelle oggetto della presente proposta sono
risultate in passato vincenti in diversi progetti di ricerca sia a carattere nazionale che internazionale
INRIM, quale ente nazionale metrologico, esprime alcune eccellenze ampiamente riconosciute a livello
europeo e mondiale. Tra i principali contratti di ricerca vinti dal gruppo di ricercatori proponenti il
presente premiale citiamo: LIFT, Metgesp e QsecGroundSpace (premiali MIUR su QKD e distribuzione di
riferimenti in fibra), MIQC2 (EMPIR, metrologia ottica per la sicurezza quantistica delle
telecomunicazioni), Demetra (H2020 per la sperimentazione dei possibili impieghi industriali dei segnali di
tempo del sistema di navigazione Galileo), Often (EMPIR un network europeo per il trasferimento di
frequenza ottica), Clonets (H2020, per studiare la realizzazione di un’infrastruttura europea in fibra ottica
per la metrologia di tempo e frequenza).
Il CNR è una delle organizzazioni leader della ricerca sulla cyber security a livello Europeo. Il CNR è stato
tra le 5 organizzazione nominate dalla Commissione Europea per organizzare la cyber security contractual
Public/Private/Partnership (cPPP) e in particolare l’European Cyber Security Organization (ECSO).
Attualmente 150 organizzazioni partecipano a ECSO, a fronte di un’iniziativa da 1.8 miliardi di Euro (di cui
450 milioni forniti dalla Commissione Europea tramite call H2020). Il CNR è stato ed è tuttora il
coordinatore di molti progetti europei del settore, in particolare, EU-FP7 NESSoS: Network of Excellence
___________________________________________________________________________________
27
(NoE) on Engineering Secure Future Internet Software Services and Systems e EU- H2020 European
Network on Cyber Security (NeCS).
Nel contesto di questo progetto i gruppi CNR hanno una pluriennale esperienza nello sviluppo di
tecnologie quantistiche ottiche (CNR INO), di (nano)dispositivi superconduttivi e studi connessi sui
materiali anche non convenzionali (CNR SPIN), nel campo della progettazione, realizzazione,
caratterizzazione, e ottimizzazione di SPAD di silicio e di SiPM (CNR IMM), nello studio e realizzazione di
nanosistemi quantistici basati su semiconduttori, metalli normali e superconduttori (CNR NANO), e nello
studio di algoritmica in settori come sicurezza e privacy (CNR IIT). Tematiche scientifiche molto legate ai
contenuti della presente proposta sono risultate in passato oggetto di finanziamento in diversi progetti di
ricerca sia a carattere nazionale che internazionale. Tra i principali contratti di ricerca che hanno visto
protagonisti i gruppi proponenti il presente premiale citiamo:
FP6-SINPHONIA (SPIN, IFN), basato sullo sviluppo di rivelatori superconduttivi,
IRONSEA "IRONSEA: Establishing the basic science and technology for Iron-based superconducting electronics applications "
EU SUPERIRON “exploring the possibilities of Fe-based superconductors”,
FIRB2012 “Hybrid superconductor-semiconductor nanostructures: nanoelectronic applications, topological properties, correlation and disorder”, (2014-2017)
CIG-Horizon2020 “Coherent heat and energy transport in quantum systems”, (2014-2018)
FIRB-MIUR Project: CoCa: Coherent caloritronics in mesoscopic superconducting circuits”, (2014-2017)
FAR-FAS Regione Toscana Sciadro- Sciame di Droni (2016-2018)
(2014-2018) ERC Consolidator Grants “COMANCHE COherent MANipulation and Control of HEat in solid-state nanostructures”
2010-2014 EU ERA-Net CHIST-ERA project “QSCALE - Quantum technologies for extending the range of quantum communications”.
2015-2019 H2020 Confidential and Collaborative Information Sharing and Analytics for Cyber Protection (C3ISP)
2013-2016 FP7 Confidential and compliant clouds (COCO Cloud)
Nel document redatto da ETSI “White Paper: Quantum Safe Cryptography and Security; An introduction,
benefits, enablers and challenges”-ISBN 979-10-92620-03-0- è riportato:
“Information in many ways equates to geopolitical, social, and economic power. The
economic, social, and political well-being of developed countries depends on integrity,
confidentiality, and authenticity of sensitive data sent over networks. Corporations and
governments have legal responsibilities to their investors, constituents, and customers to
preserve the confidentiality of sensitive information. Whether this information consists of
military communications, secret government documents, industrial trade secrets, or financial
and medical records, interception of information allows adversaries to not only learn about
the contents of these communications, but also to discover metadata in patterns within a
network of communicators, to extract general patterns using machine learning, and even to
insert false or misleading information or malware into a data stream.”
L’ICT costituisce un mercato mondiale da 2600 miliardi di Euro. Ci sono attualmente 9 miliardi di
comunicazioni crittografiche a chiave pubblica e 19 miliardi di comunicazioni a chiave simmetrica all'anno,
___________________________________________________________________________________
28
ed è previsto che il loro totale complessivo superi i 50 miliardi entro il 2020, mentre ci muoviamo verso
'the internet of things/everything' entro il 2020 [docboxetsib]. Come illustrato precedentemente nella
proposta è prevedibile un sempre maggiore finanziamento, sia come ricerca che come industria ITC, verso
le tematiche volte a garantire la sicurezza delle reti e verso le nuove tecniche quantistiche che
garantiscono gradi di inviolabilità assoluti. Alcuni paesi con un forte sviluppo tecnologico come USA, Corea
e Cina stanno infatti investendo fortemente in questa direzione.
Il progetto risponde anche per la parte di metrologia del tempo ai bisogni sollevati dal mondo industriale
e quello legato all’ICT, che richiedono livelli di sicurezza sempre più sofisticati, permettendo di superare i
limiti legati alla sincronizzazione satellitare e alla sua vulnerabilità in termini di spoofing e jamming, come
descritto per esempio in “U.S. Air Force Chief Warns against Over-Reliance on GPS”, Inside GNSS News,
January 20, 2010. Lo sviluppo di questi metodi e dispositivi potrà attrarre investimenti da parte dei
mercati che ne vivranno il maggiore impatto, e precisamente:
Il mercato dei sistemi satellitari di posizionamento: la European GNSS Agency (GSA), nel suo terzo report di mercato (http://www.gsa.europa.eu/market/market-report) in 2013 prevede un aumento del mercato di 250 miliardi di euro per anno fino al 2022. Misure di tempo e frequenza a terra, nel cosiddetto ground segment, sicurezza di back-up e sincronizzazione possono intercettare frazioni di questo sviluppo. Con un prudenziale 0,01%, si stima una possibilità di attrarre finanziamenti di 25 milioni di euro per anno su tutta Europa, a cui per grandezza di mercato e infrastrutture l’Italia può mirare a 2,5 milioni di euro per anno.
Il mercato delle telecomunicazioni: secondo il report di Visiongain, “Wireless Infrastructure Market Forecast 2014-2024 (http://www.visiongain.com/Report/1214/Wireless-Infrastructure-Market-Forecast-2014-2024), si stima un mercato di circa 45 miliardi di euro/anno per le infrastrutture wireless, di cui nuovamente, i sistemi di timing possono coprire circa lo 0,01% del valore.
Le smart grid: secondo un report di GTM Research, (http://www.greentechmedia.com/research/
report/global-smart-grid-technologies-and-growth-markets-2013-2020) il sistema delle smart grid
sorpasserà nel 2020 i 400 miliardi nel mondo. In questo caso le tecniche per la sincronizzazione delle rete
possono ambire a intercettare un volume fino allo 0,1%.
La Commissione Europea, nell’ambito di H2020, sta per lanciare una flagship del valore di 1 Miliardo di
Euro sulle tecnologie quantistiche. Il documento di indirizzo scientifico della flagship, noto come quantum
manifesto, riporta come motivazione principale dell’iniziativa:
The roadmap calls for an ambitious strategy to set the bases of a world-class
quantum industry in Europe that will unlock the full potential of quantum
technologies and bring commercial products to public and private markets,
combining education, science, engineering and entrepreneurship
E’ evidente la stretta attinenza delle attività proposte in questo premiale con gli scopi esplicitati
dall’iniziativa europea. Il presente premiale permette pertanto di posizionare gli istituti proponenti tra i
protagonisti europei di primo piano in questo settore poiché permette di sviluppare nuove conoscenze e
competenze, uniche a livello europeo e mondiale, che potranno costituire una solidissima base nei futuri
bandi previsti della flagship. E’ evidente che la sovrapposizione delle tematiche di ricerca scientifica e
tecnologica oggetto di questo progetto e i temi della flagship costituisce un importante base per
___________________________________________________________________________________
29
migliorare significativamente il posizionamento scientifico dei proponenti in questo settore rendendoli
molto più competitivi a livello europeo. Soprattutto il carattere di interdisciplinarità che vuole avere
questo progetto, permetterà ai proponenti di identificate nuove tecnologie e nuovi sviluppi scientifici utili
per finalizzare al meglio i progetti FET che saranno oggetto dell’iniziativa.
Tra le tematiche già identificate per i prossimi bandi europei segnaliamo:
• Kick-start a competitive European quantum industry to position Europe as a leader in the future global industrial landscape. • Expand European scientific leadership and excellence in quantum research. • Make Europe a dynamic and attractive region for innovative business and investments in quantum technologies. • Benefit from advances in quantum technologies to provide better solutions to grand challenges in such fields as energy, health, security and the environment.
E’ utile notare come anche la cPPP in cyber security, che porterà circa 450 Milioni di Euro in cyber, pone
attenzione ai temi del progetto ed in generale la cyber security é allo stato attuale una della tematiche di
maggior attenzione all’interne delle policy delle comunità scientifica, per esempio lo Scientific Advise
Mechanism (SAM)2 della Comunità Europea, nel suo High Level Expert Group (7 esperti tra cui il direttore
generale del CERN 2009-2015 – Rolf-Dieter Heuer) ha identificato la cyber security tra i primi due temi
scientifici / tecnologici di maggior interesse a livello Europeo (l’altro le emissioni di CO2).
Nell’ambito del programma EMPIR3 sono previste varie call per il periodo 2017-2020 per progetti di
ricerca su tematiche proprie della proposta QASCO. La struttura del programma EMPIR prevede una fase
pubblica di orientamento e definizione degli argomenti e delle tematiche da inserire in ciascuna call, in cui
è possibile esprimere interessi specifici e proporre temi di ricerca. Riteniamo quindi che, a fronte di un
positivo riscontro a livello nazionale su questo progetto, esistano concrete possibilità di sviluppare
ulteriormente i temi qui proposti in ambito europeo, e lavorare per il consolidamento di una forte
leadership italiana in questo ambito, ottenendo un cospicuo ritorno di fondi europei.
Come evidenziato nella proposta scientifica l’utilizzo di tempo sicuro, sincronizzazione di reti, time-
stamping certificato è sempre più necessario in una varietà di applicazioni, quali ad esempio smart grid
elettriche, settore finanziario, e differenti applicazioni commerciali e nei servizi. Diverse direttive europee
e di standardizzazione stanno lavorando per una normativa di questi servizi che vede al centro gli istituti
metrologici nazionali. Il livello tecnico e di accuratezza dei segnali di tempo che viene richiesto è tale per
cui al momento solamente realtà di primo piano nella metrologia di tempo e frequenza, come è INRIM,
possono soddisfare questo tipo di richiesta. Anche dal punto di vista delle ricadute industriali quindi è
ragionevole attendersi che le tecnologie sviluppate nel progetto QASCO avranno un rapida diffusione in
molteplici servizi, che potranno avere una ricaduta economica importante per gli enti metrologici.
2 https://ec.europa.eu/research/sam/index.cfm
3 The European Metrology Programme for Innovation and Research (EMPIR) has been developed as an integrated
part of Horizon 2020, the EU Framework Programme for Research and Innovation. The EMPIR calls, launched between 2014 and 2020, have an allocated total budget of 600 M €, with 300 M € from the participating states and up to 300 M € from the European Commission using Article 185 of the European Treaty. http://www.euramet.org/research-innovation/research-empir/about-empir/
___________________________________________________________________________________
30
Infine la futura erogazione di servizi metrologici di taratura di dispositivi a singolo fotone, lo sviluppo di
nuove tecnologie, le politiche di trasferimento tecnologico, permetteranno un interazione diretta con il
tessuto industriale, e pertanto un ulteriore canale di attrazione di investimenti.
Diffusione dei risultati
Oltre alle attività tecniche, il consorzio si occuperà inoltre della diffusione dei risultati del progetto nella
comunità scientifica, tecnica ed industriale, all'interno e all'esterno dell'Europa. Saranno progettate azioni
di sensibilizzazione al fine di fornire informazioni a un gruppo, il più ampio possibile, di destinatari esterni
al progetto.
Formazione di Giovani Ricercatori
Una quota significativa del budget del progetto è destinata a contratti TD per giovani ricercatori, assegni
di ricerca e borse di dottorato, allo scopo di formare tecnici e scienziati specializzati in questo settore. Per
questo motivo, il consorzio si impegna a coinvolgere i giovani ricercatori nelle attività svolte in
collaborazione tra i vari istituti in modo da massimizzare l’esperienza acquisita.
Crediamo sia strategico per il paese formare eccellenti ricercatori nell’ambito delle tecnologie
quantistiche, a causa dell’atteso impetuoso sviluppo delle stesse sia dal punto di vista tecnologico che
commerciale, come dimostrato dagli straordinari investimenti in questo settore messi in campo da alcuni
paesi europei (ad esempio dalla Gran Bretagna) oltre che dall’Unione Europea stessa.
Divulgazione dei risultati del progetto verso la comunità scientifica
Con l’ovvia eccezione di quei risultati che rivestono un chiaro interesse industriale, o che possono essere
alla base di nuovi brevetti, tutti i risultati scientifici e tecnologici che emergeranno dalle attività proposte,
saranno divulgati attraverso i consueti canali della comunità scientifica internazionale. Il consorzio si
impegnerà nella diffusione dei risultati attraverso i normali canali di pubblicazioni su prestigiose riviste
scientifiche e tecniche del settore, e nella presentazione dei risultati tramite incontri, conferenze,
workshop e seminari.
Il consorzio coordinerà anche la preparazione di articoli e la loro sottomissione a riviste scientifiche e
manterrà un elenco delle pubblicazioni finanziate dal progetto.
Divulgazione dei risultati del progetto verso la comunità tecnologica ed industriale
Diverse attività volte a sviluppare la miglior cooperazione con la comunità industriale del paese verranno
portate avanti nell’ambito di questo progetto.
In collaborazione con il Politecnico di Torino verrà realizzato un nuovo Master sui nuovi servizi e sulle nuove tecnologie per le telecomunicazioni. Questo nuovo corso universitario avrà come scopo quello di formare ad altissimo livello personale impiegato presso le industrie del settore per fornire loro le competenze scientifiche e tecniche atte a implementare nel mondo reale nuovi servizi di telecomunicazione e costituire un’idonea interfaccia tra il mondo industriale e quello della ricerca nella realizzazione di sistemi di comunicazione sicura e quantistica, come la QKD, il trusted time, i nuovi protocolli di sicurezza, fornendo un importante aiuto al sistema produttivo ed industriale del paese.
___________________________________________________________________________________
31
Il consorzio si impegnerà a diffondere i risultati in modo appropriato e tempestivo alla comunità tecnologica ed industriale. A questo scopo, membri di questo progetto parteciperanno alle riunioni del gruppo di standardizzazione dell’ETSI-ISG sulla QKD per presentare i progressi del progetto, con particolare riferimento alla metrologia per la QKD, alla creazione del “trusted node” e alla realizzazione della Dorsale Quantistica Italiana, un testbed per le tecnologie quantum in fibra che vanno ben oltre la sola QKD.
Verranno sviluppate norme tecniche per la caratterizzazione metrologica dei dispositivi a singolo fotone, un passo fondamentale per la creazione di un servizio di taratura di questi dispositivi. Questo avrà un impatto sulla credibilità di tutte le tecnologie quantistiche (non solo della QKD); infatti, l’utilizzo di questi dispositivi a singolo fotone è comune tanto nell’ambito della scienza fondamentale quanto in applicazioni pratiche bio-medicali.
Verrà organizzato un workshop, alla conclusione del progetto, dove verranno invitati membri della comunità industriale e verranno discussi i risultati del progetto e le potenzialità future di queste attività.
Tutti i risultati che si riterrà abbiano rilevanti possibilità di essere sfruttati dal punto di vista industriale, direttamente o indirettamente, saranno oggetto di brevetto.
Divulgazione dei risultati del progetto verso la società civile
Per estendere l'impatto alle altre comunità scientifiche e alla società in generale, il consorzio si impegnerà
a pubblicizzare i principali risultati del progetto, anche oltre l’usuale ambito delle riviste tecniche e
scientifiche, sulle pagine web dei propri istituti e sui media generalisti.
Il consorzio si impegnerà inoltre a presentare i risultati del progetto in eventi pubblici ed aperti alla
società come ad esempio “La Notte dei Ricercatori” o il Festival della scienza.
___________________________________________________________________________________
32
Work packages
___________________________________________________________________________________
33
Descrizione WP
Work Package WP Coord. WP Attività Guida Att Attività Risultati Attesi
WP 1 Classis
security and
synergies with
QKD
CNR-IIT
A1.1 Sicurezza dei
dispositivi e delle
comunicazione
CNR-IIT, INRIM
Protezione dei nodi dei sistemi cyber fisici, in particolare quelli che
offrono particolare funzioni e meccanismi di sicurezza. Studio dei
protocolli di comunicazione sicuri, cosi come i meccanismi di
intrusione, rilevamento e prevenzione su rete. Sviluppo di trusted
node di prima generazione per la QKD [M0-M12]
Protocolli per comunicazione sicura;
applicazione del protocollo a un network
reale.
A1.2 Gestione dei
Secure Service Level
Agreements
CNR-IIT
Definizione e realizzazione dei Security Service Level Agreements
(SSLA) tra i vari nodi. Indicazione dei meccanismi di sicurezza più
adatti. In questo ambito è anche importante che i protocolli siano in
grado di negoziare ed applicare i meccanismi di sicurezza definiti nel
SSLA. [M0-M12]
Applicazioni pilota degli SSLA a network di
nodi
A1.3 Sinergie tra i
protocolli di
sicurezza classici e
QKD.
CNR-IIT, INRIM Studio della integrazione tra protocolli QKD in sicurezza classica per
incrementare la sicurezza della rete e fruire dei benefici del QKD
anche in ambienti distribuiti. [M1-M24]
Protocollo di integrazione tra QKD e modelli
di sicurezza classica.
A1.4 Trusted nodes
avanzati CNR-IIT, INRIM
Progettazione e realizzazione di una seconda generazione di
“trusted node” con livello di protezione migliorata. [M12-M24] “Trusted node” di seconda generazione
___________________________________________________________________________________
34
Work Package WP Coord. WP Attività Guida Att Attività Risultati Attesi
WP2
Tempo Atomico
Certificato per la
Sicurezza
INRIM
A2.1 Dispositivi
di Integrazione INRIM
Analisi delle architetture di interesse per l’inserimento
della sincronizzazione da Tempo Atomico Certificato in
sistemi sensibili e QKD. Studio dei dispositivi e dei loro
parametri tecnici che meglio si adattano all’integrazione.
Caratterizzazione di stabilità e accuratezza dei segnali di
tempo in remoto per le architetture e i dispositivi
individuati. [M0-M18]
Studio analitico di tre architetture in campo reale;
caratterizzazione di due tecniche di distribuzione di
Tempo Atomico Certificato (a modulazione di ampiezza e
a rivelazione laser coerente, classificate in base ai
parametri di stabilità, accuratezza e robustezza
(percentuali di funzionamento senza interruzione).
Pubblicazione di uno studio analitico e di confronto tra le
due tecniche in campo reale.
A2.2
Resilienza agli
attacchi del
Tempo Atomico
Certificato
CNR-IIT - INRIM
Studio dei possibili attacchi malevoli alla distribuzione di
tempo atomico certificato, sia in modalità “Denial of
Service” che quelli tesi a degradare il segnale al
destinatario, oppure a introdurre errori voluti. Analisi di
contromisure e inserimento nei protocolli di test e
modifiche di architettura e/o dispositivi [M0-M15]
Studio degli attacchi malevoli alla Distribuzione di Tempo
e contromisure di Sicurezza. Pubblicazioni scientifiche sul
tema.
A2.3 Tempo
atomico
protetto da
QKD
INRIM
Studio di tecniche di protezione/resilienza della Tempo
Atomico Certificato e Protetto con la contemporanea
presenza del segnale QKD sullo stesso canale di fibra
ottica. Eventuale prova di principio. [M12-M24]
Analisi ed eventuale progetto di protezione della
distribuzione del tempo atomico mediante QKD.
A2.4 Tempo
Atomico
Certificato Oltre
la Fibra
INRIM, CNR-Fisica
Studio e sviluppo di tecniche ibride fibra ottica/fixed
radio wireless per distribuire con sicurezza e accuratezza
il tempo atomico anche in caso di territorio non coperte
in fibra. [M6-M24]
Pilot sperimentale su test-bed per la distribuzione per il
ponte radio oltre la fibra, in confronto con distribuzione
in fibra
___________________________________________________________________________________
35
Work Package WP Coord. WP Attività Guida Att Attività Risultati Attesi
WP3
Testbed for
Quantum
Cryptography
INRIM
A3.1
INRIM, CNR-SPIN,
CNR-IMM, CNR-
NANO, CNR-INO
Identificazione dei parametri da caratterizzare nei componenti ottici a
singolo fotone dei sistemi per QKD. In particolare si considererà anche
il problema del “quantum-hacking”, quindi si considererà anche la
caratterizzazione di contromisure anti-Q-hacking. Sviluppo di tecniche
di misura per la caratterizzazione dei sistemi a singolo fotone, e delle
contromisure che proteggono i sistemi QKD da attacchi “quantum-
hacking” [M0-M18]
Sistemi di caratterizzazione dei componenti a
singolo fotone dei sistemi QKD con riferibilità
metrologica. Pubblicazione di una “Best
practice guide” per queste misure, anche
come contributo alla standardizzazione dei
sistemi QKD
A3.2 INRIM, CNR-IIT
Realizzazione del “trusted node” in grado di garantire lo scambio di
chiavi crittografiche sicure tra due collegamenti QKD point-to-point.
Valutazione della penetrabilità del sistema. [M3-M15]
“Trusted node” di prima generazione
A3.3
INRIM, CNR-SPIN,
CNR-IMM, CNR-
NANO, CNR-INO
Individuazione delle caratteristiche peculiari dei rivelatori e delle
sorgenti a singolo fotone innovativi sviluppati in WP4 e sviluppo di
metriche e di tecniche di misura per la valutazione di queste
caratteristiche in modo da valutare il valore aggiunto del loro utilizzo
nei sistemi QKD. [M6-M24]
Metriche e tecniche di misura per la
caratterizzazione delle sorgenti e dei
rivelatori a singolo fotone sviluppati in WP4.
A3.4 INRIM
Analisi, progettazione e implementazione della sincronizzazione tra il
trasmettitore ed il ricevitore del sistema QKD mediante il segnale della
distribuzione di tempo quantistico. Questo renderebbe superato
l’utilizzo di un canale classico di sincronizzazione dedicato, soluzione
utilizzata dagli attuali sistemi QKD commerciali. [M0-M18]
Sistema QKD point-to-point sincronizzato
mediante il segnale di distribuzione del
tempo atomico
___________________________________________________________________________________
36
Work Package WP Coord. WP Attività Guida Att Attività
Risultati Attesi
WP4
New Devices for
Quantum
Metrology
CNR
A4.1 CNR-SPIN, CNR-
NANO, INRIM
Individuazione delle caratteristiche peculiari di un SNSPD e PJS per sistemi QKD in fibra [M01-M06]. Tecniche di calibrazione assolute auto-consistenti di SNSPDs e PJSs [M01-M18]. Analisi/Progettazione della configurazione di sistemi QKD in fibra con rivelatori SNSPDs e PIJs [M01-M12]. Design, setup e test di sistemi SNSPD realizzati in NbN e PJS realizzati in VCu accoppiati in fibra ottica per la rivelazione in 400-1500 nm [M01-M24]. Progettazione e modellizzazione di un sistema integrato on-chip SNSPD e PJS con readout RSFQ (collaborazione Industria HYPRES) [M01-M12]. Sviluppo e test di SNSPDs con alta efficienza quantica impieganti nuovi materiali (WSi, MoSi, MoRe,YBCO) ed ibridi del tipo S/F [M01-M24]. Studio delle caratteristiche di trasporto e di rumore quantistico di rivelatori nano-strutturati ultrasensibili di tipo calorimetrico [M01-M12].
Design e caratterizzazione di rivelatori SNSPDs
e PJS ad elevata efficienza quantica fino a 1.5
micron con accoppiamento in fibra
A4.2
CNR-IMM, CNR-
SPIN, CNR-
NANO,INRIM
Elettronica superconduttiva RSFQ integrata on-chip per readout di SNSPD e PJS: misure di test [M10-M24] Fabbricazione e Test di rivelatori superconduttivi ibridi (SNS) a controllo di fase: analisi dei problemi di dissipazione e di decoerenza [M10-M24] Ottimizzazione di SPAD in Si e Silicon Photomultipliers (SiPM) per il funzionamento nel range 800nm - 1000nm [M1-M24] Valutazione di SPAD in Germanio per operazione in seconda e terza finestra di comunicazioni su fibra [M10-M24].
Rivelatori a singolo fotone on relativa
elettronica di front-end ottimizzati per
applicazioni QKD
A4.3 CNR INO,
INRIM
Caratterizzazione di sorgenti a singolo fotone basate su molecole di DBT in cristalli di Antracene e su Vacanze di Silicio nel diamante con rivelatori commerciali [M01-M18] Sviluppo di sorgenti a singolo fotone con profilo spettro-temporale controllato [M01-M18] Accoppiamento di emettitori quantistici a guida d’onda integrate su chip, per il controllo del modo spaziale dei singoli fotoni [M01-M24] Sviluppo di sorgenti di luce squeezed compatibili con le reti a fibra ottica esistenti [M01-M24] Sviluppo di sorgenti di singolo fotone ad alto tasso di emissione basate sull’accoppiamento di emettitori quantistici con nano-antenne plasmoniche [M01-M24] Sviluppo di sorgenti di singolo fotone basate su nanofili semiconduttori
Sorgenti e tecniche di rivelazione innovative
per singoli fotoni e luce non classica per QKD
___________________________________________________________________________________
37
con singolo quantum dot in III-V [M01-M24]
A4.4
CNR-INO, CNR-
SPIN, CNR-
IMM, INRIM
Studio comparato tra rivelatori a singolo fotone con diverse tecnologie (semi- e super-conduttore) per applicazioni di QKD [M01-M24] Integrazione di sorgenti a stato solido, filtri e rivelatori a singolo fotone su una piattaforma comune [M12-M24] Sviluppo di rivelatori omodina selettivi nel modo spettro-temporale di singoli fotoni [M01-M18] Rivelazione di fotoni nel medio infrarosso con SPAD in Germanio e Si-Photomultipliers mediante conversione di frequenza e processi non-lineari in WGMR [M01-M24] Sviluppo di un apparato di misura per test di protocollo di sicurezza su fibra ottica con tecnica DPS QKD [M12-M24].
Sistemi integrati di rivelazione e misura per
QKD
A4.5 CNR INO,
INRIM
Analisi dell’interfaccia tra sistemi QKD a variabili continue e discrete tramite entanglement ibrido [M06-M24] Analisi di schemi di amplificazione noiseless come alternativa ai trusted nodes [M06-M24] Test di entanglement swapping tra nodi della rete in fibra esistente [M12-M24] Integrazione di sorgenti e rivelatori omodina a modo controllato per QKD a variabili continue [M12-M24]
Test di protocolli quantistici avanzati per link in
fibra
___________________________________________________________________________________
38
Work Package WP Coord. WP Attività Guida Att Attività Risultati Attesi
WP 5
Management
INRIM
Gestione
economica
Comitato di
gestione (CST)
Determinare i piani di spesa delle unità operative. Verificare,
assieme al personale amministrativo dedicato, le azioni per gli
acquisti e per i bandi di gara necessari. Rendicontazione economica
e del personale. [M0-M24]
Sviluppo di sinergia con l’amministrazione
degli enti
Gestione scientifica Comitato di
gestione (CST)
Verificare e monitorare gli sviluppi scientifici del progetto. Definire
nuove iniziativa da intraprendere. Verificare il raggiungimento delle
milestones. [M0-M24]
Ottimizzazione degli output scientifici del
progetto
Attrazione
investimenti
Comitato di
gestione (CST)
Verificare la possibilità di partecipare a nuovi bandi indetti su
tematiche inerenti alle attività del consorzio.
Proporre temi rilevanti al progetto nella fase di formazione dei
programmi scientifici nazionali ed europei. [M0-M24]
Massimizzare le opportunità di sviluppo delle
tematiche scientifiche proposte in ambito
pubblico e industriale
Diffusione risultati e
trasferimento
conoscenze
Comitato di
gestione (CST)
Programmare presentazione dei risultati del progetto a conferenze e
su riviste scientifiche. Coordinare le attività formative proposte nel
progetto. Identificare opportuni spazi di divulgazione generalista.
Relazioni con partner industriali per sviluppo di nuovi prodotti. [M0-
M24]
Visibilità del progetto e dei risultati.
Trasferimento alla comunità nazionale delle
conoscenze
___________________________________________________________________________________
39
Diagramma GANTT
Attività 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
WP1
A1.1
A1.2
A1.3
A1.4
Wp2
A2.1
A2.2
A2.3
A2.4
WP3
A3.1
A3.2
A3.3
A3.4
WP4
A4.1
A4.2
A4.3
A4.4
A4.5
WP5
A5.1
A5.2
A5.3
A5.4
___________________________________________________________________________________
40
Milestones
WP Milestone Data attesa
WP1 Descrizione del framework di protezione dei dispositivi e delle comunicazioni attuale, inclusa la gestione dei SSLA.
M6
WP1 Analisi del framework di integrazione tra sicurezza classica e quantistica M12
WP1 Versione finale dei frameworks di integrazione tra sicurezza classica e quantistica
M18
WP2 Analisi progettuale per l’applicazione del Tempo atomico Certificato tramite il segnale QKD sullo stesso canale di fibra ottica.
M15
WP2 Documento progettuale per il testbed di ricerca della tecnica ibrida fibra ottica/fixed radio wireless per distribuire in sicurezza Tempo atomico certificato.
M15
WP2 Analisi delle architetture di tempo atomico certificato e sicuro in campo reale e dell’analisi della resilienza alle vulnerabilità ad attacchi malevoli
M18
WP3 Selezione di architettura e progetto di sistema di sincronizzazione mediante distribuzione di tempo atomico degli apparati QKD in uso sulla dorsale quantistica.
M12
WP3 Realizzazione di una tratta intermetropolitana della dorsale quantistica italiana con la compresenza della distribuzione del tempo atomico e QKD che sfrutta dei trusted node di prima generazione.
M18
WP4 Report su tecniche di rivelazione e misura avanzate per piattaforme QKD M12
WP4 Test e report su sorgenti non classiche con caratteristiche ottimizzate per QKD
M12
WP4 Progettazione(report) e test di rivelatori SNSPDs e PJSs con accoppiamento in fibra ottica e con QE elevate fino a 1.5 micron
M12
WP4 Test di rivelatori SPAD in Si e Silicon Photomultipliers (SiPM) per il funzionamento nel range 800nm - 1000nm
M12
WP4 Dimostrazione proof-of-principle di protocolli quantistici per QKD con test in fibra
M24
___________________________________________________________________________________
41
Piano Economico
Il progetto QASCO espone un costo complessivo di €6 765 000, di cui si chiede un finanziamento premiale
pari a €4 075 000, pari al 60% del costo stimato.
Il finanziamento premiale richiesto da INRIM è pari a € 2 000 000
Il finanziamento premiale richiesto dal CNR è pari a € 2 075 000
Il cofinanziamento complessivo da parte degli enti proponenti è costituito da voci relative al personale TI e
TD impiegato a vario titolo nel progetto, da copertura di Borse di dottorato e assegni di ricerca, già previsti
nei piani di spesa degli enti, di personale che verrà impiegato sulle tematiche del progetto ed in parte di
attrezzature e costi già stanziati dagli enti.
Di seguito riportiamo le tabelle di dettaglio dei macrocosti complessivi del progetto per unità operativa.
INRIM
Macrovoce di spesa Ammontare
previsto Fonte FOE 7%
Cofinanziamento, altre
forme di copertura
Incidenza
cofinanziamento
Personale TI, TD 400 200 200 50%
Assegni / borse di studio 280 140 140 50%
Strumentazione 700 600 100 14%
Materiale di consumo 300 300
Costo testbed 800 600 200 25%
Spese generali 120 120
Missioni, meeting, eventi. 90 40 50 55%
Totale 2690 2000 690 26%
Cifre espresse in k€
CNR
Macrovoce di spesa Ammontare
previsto Fonte FOE 7%
Cofinanziamento, altre
forme di copertura
Incidenza
cofinanziamento
Personale TI, TD 1300 300 1000 76%
Assegni / borse di studio 360 360 0
Strumentazione 500 500 0
Materiale di consumo 400 400 0
Spese generali 415 415 0
Missioni, meeting, eventi 100 100 0
Totale 3075 2075 1000 32%
Cifre espresse in k€
___________________________________________________________________________________
42
Ruolo delle unità operative
INRIM - Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica
L’INRIM assumerà il ruolo di coordinatore del presente progetto, e il suo contributo sarà basato sulla
comprovata competenza nell’utilizzo delle fibre ottiche per la trasmissione di segnali “non classici”. Con
questa definizione si intende sia la trasmissione di segnali differenti da quelli comunemente utilizzati nel
mondo delle telecomunicazioni: per la QKD si tratta di trasmissione e rivelazione di segnali a singolo fotone,
per quanto riguarda tempo e frequenza si intende la trasmissione di segnali di riferimento (secondo ed Hz)
riferiti ai campioni nazionali primari, ossi la scala di tempo UTC(IT) e il campione primario di frequenza a
fontana di Cesio.
L’esperienza INRIM è molto significativa anche nella caratterizzazione di rivelatori, nella manipolazione
dell’entanglement, nei protocolli QKD e nelle tecnologie a singolo fotone. Specificatamente INRIM si
occuperà di:
Realizzazione di un progetto pilota volto alla distribuzione di un tempo certificato ed accurato
verso un partner industriale di rilevanza nazionale. Il sistema di disseminazione potrà essere
sperimentato utilizzando le fibre ad esclusiva disponibilità del progetto al fine di verificarne i
requisiti di sicurezza e di resilienza a possibili attacchi prima di venire integrato all’interno di
una rete reale presente sul territorio.
Sviluppo della piattaforma di misure per la caratterizzazione metrologica dei dispositivi a
singolo fotone presenti nei sistemi QKD in fibra ottica.
Realizzazione e messa in opera della Dorsale Quantistica Italiana; la prima connessione
quantistica su scala inter-metropolitana (interregionale/nazionale) al mondo, che permette di
sperimentare la co-esistenza delle due tecnologia quantistiche più avanzate dal punto di vista
pratico: la QKD in fibra ottica, e la distribuzione del tempo atomico certificato.
Realizzazione di “trusted node” che permetteranno di connettere tra loro diversi link point-to-
point QKD (necessario per la realizzazione di un QKD link su scala interregionale/nazionale).
Cooperazione con il CNR allo sviluppo di tecniche per la protezione del “trusted-node”.
Studi sui protocolli QKD di prossima generazione, principalmente su quelli basati
sull’entanglement.
CNR-IIT
L'Istituto di Informatica e Telematica (IIT) contribuisce al progetto con expertise sulla cyber security e sui
sistemi cyber physical; in entrambi i settori ha un livello di eccellenza riconosciuto, avendo anche
coordinato vari progetti Europei nel settore (e in particolare NoE). In particolare, il gruppo Sicurezza
dell’Istituto di Informatica e Telematica (IIT-CNR) a Pisa svolge attività di ricerca e sviluppo sulla cyber-
security. Il gruppo si compone di circa 20 persone, tra ricercatori, studenti di dottorato e sviluppatori. Il
Gruppo Sicurezza ha un’esperienza significativa sulla cloud-security, usage control e in generale sicurezza su
sistemi distribuiti.
Il gruppo Ubiquitous Internet (UI) si occupa di algoritmi e soluzioni data-driven per il Future Internet e
sistemi cyber physical (IoT).Il gruppo lavora inoltre nell'ambito della progettazione, modellizzazione e
___________________________________________________________________________________
43
valutazione di architetture internet innovative e protocolli di rete. In particolare, il gruppo ha una
consolidata esperienza nella progettazione e realizzazione di protocolli di rete e sistemi per reti di sensori, e
raccolta di dati in tali ambienti. I ricercatori del gruppo UI partecipano attivamente a gruppi di esperti a
livello nazionale ed europeo.
All’interno del progetto, i ricercatori dell’Istituto si occuperanno di problematiche di sicurezza classica e
della loro interazione con le soluzioni di QKD e di tempo sicuro sviluppate dalle altre unità.
CNR-INO
Tra i settori pertinenti al Progetto presente, in cui INO ha una leadership riconosciuta a livello
internazionale, si menzionano gli studi di carattere fondamentale sulla generazione e la rivelazione di stati
non-classici della luce; il test dei principi fondamentali della meccanica quantistica; gli studi riguardanti
effetti ottici non-lineari, sia come soggetto di investigazione fisica di base, sia la realizzazione di sorgenti per
una vasta gamma di applicazioni. In questi settori, CNR-INO ha sviluppato tecnologie innovative per la
trasmissione, l'amplificazione e l'utilizzo di sorgenti ad alta coerenza e di tipo metrologico in sistemi in fibra
ottica. In questo contesto di eccellenza CNR-INO si propone di dare il suo contributo nell'ambito del
progetto.
In particolare CNR-INO si occuperà di:
Realizzazione e test di sorgenti innovative a singolo fotone e luce squeezed;
Integrazione di sorgenti e detector di singolo fotone su chip
Sistemi di rivelazione basati su omodina;
Conversione spettrale di singoli fotoni;
Sviluppo di nuovi schemi e tecnologie per QKD di prossima generazione
CNR-IMM
Per quanto riguarda il presente progetto l'IMM-CNR ha una lunga esperienza nel campo della
progettazione, realizzazione, caratterizzazione e ottimizzazione di SPAD di silicio e di SiPM. Ricercatori
dell'IMM ne hanno studiato e modellizzato con accuratezza il guadagno, i conteggi di buio e l'efficienza
quantica. Insieme con STMicroelectronics hanno realizzato SiPM a temperatura ambiente con conteggi di
buio portato al limite fisico ultimo (ossia limitato principalmente dalla diffusione termica di minoritari che si
diffondono a partire dall'emettitore).
Su tale base il contributo dell'IMM-CNR al Progetto QASCO riguarderà i seguenti aspetti:
Realizzazione e ottimizzazione di Silicon PhotoMultipliers (SiPM) di grande area operanti nell'intervallo di lunghezze d'onda da 400 a 1000 nm;
Progettazione, realizzazione, caratterizzazione, modellizzazione e ottimizzazione di prototipi di SPAD in germanio per la rivelazione di singolo fotone operanti nell'intervallo del vicino infrarosso
Emettitori di singolo fotone realizzati in eterostrutture (InGa)As/GaAs sulla base di nanofili di GaAs cresciuti per epitassia da fasci molecolari (MBE) su substrati di Si(111) opportunamente patternati tramite nanoimprint litography. Al variare della composizione della lega e delle dimensioni della sezione di (InGa)As/GaAs, eventualmente anche grazie all’incorporazione di piccole pecentuali di azoto sarà possibile spingersi fino a lunghezze d’onda utili per le telecomunicazioni in fibra (1.55 μm).
___________________________________________________________________________________
44
Le tecniche “open loop” di disaccoppiamento dinamico in memorie quantistiche, sono ritenute efficaci nella recuperare correlazioni quantistiche deteriorate dal rumore, consentendo di estendere il raggio della comunicazione quantistica in reti distribuite. Saranno studiate in implementazioni modello di piccole reti quantistiche aperte. Saranno anche sviluppati schemi di misura di architetture quantistiche in presenza di rumore, basati sugli stessi protocolli di controllo quantistico.
CNR-NANO
L’istituto Nano vanta una notevole esperienza nello studio e realizzazione di nanosistemi quantistici basati
su semiconduttori, metalli normali e superconduttori. Tali sistemi vengono attualmente realizzati per
l’investigazione delle proprietà di trasporto di carica e calore con coerenza di fase a temperature ultrabasse
(10mK) ed in presenza di campi magnetici.
In particolare l’Istituto NANO nell’ambito del progetto contribuirà alla :
Realizzazione rivelatori ibridi superconduttivi a singolo fotone nella regione del medio e lontano infrarosso . Tali rivelatori sono il risultato di un attività di ricerca teorica e sperimentale svolta da l’Istituto Nano in collaborazione con l’istituto SPIN.
Caratterizzazione a temperature ultrabasse di tali sensori e studio delle proprietà di rivelazione in funzione della frequenza e della temperatura ed loro utilizzo.
Ottimizzazione dei sensori sulla base della geometria e dei materiali costituenti il sensore stesso
CNR-SPIN
L'Istituto CNR SPIN vanta una lunga esperienza nello studio e sviluppo di materiali superconduttori e delle
loro applicazioni anche nel campo della dispositivistica avanzata. Per quello che riguarda più
specificatamente il progetto QUASCO, l'Istituto SPIN metterà a disposizione le sue ampie competenze nel
campo della progettazione, realizzazione, caratterizzazione, ed ottimizzazione di rivelatori a nanofilo per
singolo fotone SNSPDs impiegando sia materiali convenzionali come NbN, Wsi, MoRe, sia materiali
superconduttivi non convenzionali come YBCO, in grado di principio non solo di garantire temperature di
operazione più elevate ma anche dinamiche elettroniche più veloci. Notevoli sono anche le competenze
nell'Istituto nel supporto fondamentale derivante di tipo teorico e nella ricerca su nuove soluzioni
tecnologiche basate su materiali ibridi oppure su dispositivi a controllo di fase superconduttiva.
Recentemente l'Istituto ha avviato una collaborazione molto stretta con la Hypres Inc, azienda americana
leader mondiale nello sviluppo di elettronica digitale superconduttiva proprio allo scopo di ottimizzare le
connessioni tra i dispositivi sviluppati e l'elettronica di front-end (v. SNSPDs), e più in generale per
ottimizzare l'impatto di tali soluzioni nel campo delle emergenti tecnologie quantistiche.
Team
Al fine di incentivare un maggiore coinvolgimento dei giovani nello sviluppo del progetto, gli stessi si
occuperanno della gestione delle macro attività dei WPs.
Le unità operative che costituiscono il team del progetto lavoreranno in stretta collaborazione per portare
avanti gli obiettivi scientifici e tecnologici alla base del progetto. Come reso evidente dalla strutturazione
___________________________________________________________________________________
45
dei work-package infatti la grande maggioranza delle attività previste sono da svolgere in stretta
collaborazione tra le varie unità operative.
Il personale dedicato al progetto porta specifiche competenze settoriali sviluppate al più alto livello
scientifico. Il team è composto tanto da personale ricercatore “senior” di consolidata esperienza quanto da
personale ricercatore più giovane, che ha comunque già maturato un’esperienza significativa nella ricerca
scientifica avendo completato il dottorato di ricerca e periodi di assegni post dottorato o equivalenti. I temi
del progetto premiale saranno anche oggetto di specifiche proposte di tesi di dottorato.
Il team di progetto è composto da 51 unità tra ricercatori, tecnologi e tecnici che si dedicheranno alle
attività di progettazione, realizzazione di dispositivi, installazione dei sistemi di telecomunicazione,
caratterizzazione e prime sperimentazioni.
All’interno del personale dedicato al progetto si contano:
17 donne sul totale dei 51 componenti, pari al 33% del totale.
19 giovani 35 anni sul totale dei 51 componenti, pari al 37% del totale.
Con i fondi del progetto verranno erogato ulteriori 10 contratti TD o di assegni di ricerca di
durata biennale portando verosimilmente il totale dei giovani 35 anni a 29 su 61 unità, pari al 47 % del totale.
Le unità operative sono così costituite:
Unità Operativa INRIM
Nome Ruolo Posizione Struttura
Filippo Levi Coordinatore Progetto R1 Dipartimento
Ivo Degiovanni Responsabile UO INRIM R3 Dipartimento
Davide Calonico Coordinatore INRIM R2 Dipartimento
Cecilia Clivati* Ricercatore R3 TD Dipartimento
Alice Meda Ricercatore R3 TD Dipartimento
Fabrizio Piacentini Ricercatore R3 TD Dipartimento
Alberto Mura Tecnico CTER Dipartimento
Matteo Frittelli* Ricercatore Ass Dipartimento
Ekaterina Moreva* Ricercatore Ass Dipartimento
Alessio Avella* Ricercatore Ass Dipartimento
Anna Tampellini* Ricercatore Dott. Politecnico To.
Aldo Di Gioia* Amministrativo FA 4 Amministrazione
Laura Iurato Amministrativo FA 4 Amministrazione
Ilaria Balbo* Amministrativo FA 4 Amministrazione
Unità Operativa CNR
Il CNR partecipa al progetto con personale afferente a 5 differenti istituti, appartenenti a due distinti
dipartimenti: Scienze fisiche e tecnologie della materia (INO, IMM, SPIN, NANO), Ingegneria ICT e
tecnologie per l'energia e i trasporti (IIT).
___________________________________________________________________________________
46
CNR-INO
Nome Ruolo Posizione Struttura (istituto CNR)
Marco Bellini Responsabile UO CNR R1 INO
Costanza Toninelli Coordinatore INO R3 INO
Alessandro Zavatta Ricercatore R3 INO
Nicole Fabbri* Ricercatore TD R3 TD INO
Luigi Consolino* Ricercatore TD R3 TD INO
Annamaria Campa* Ricercatore Dott INO
Sofia Pazzagli* Ricercatore Dott INO
Pietro Lombardi * Ricercatore Ass INO
CNR-IIT
Nome Ruolo Posizione Struttura (istituto CNR)
Fabio Martinelli Ricercatore R2 Dipartimento
Andrea Passarella Ricercatore R3 Dipartimento
Artsiom Yautsiukhin* Ricercatore R3 TD Dipartimento
Gianpiero Costantino* Ricercatore R3 TD Dipartimento
Andrea Saracino* Ricercatore Ass. Dipartimento
Mina Sheikhalishahi* Ricercatore Ass. Dipartimento
Maurizio Aiello Ricercatore R3 Dipartimento
CNR-SPIN
Nome Ruolo Posizione Struttura (Istituto CNR)
Giovanni Piero Pepe Coordinatore SPIN Professore Associato SPIN
Roberto Cristiano Ricercatore R1 SPIN
Mikkel Ejrnaes Ricercatore R3 SPIN
Paolo Solinas Ricercatore TD R3 TD SPIN
Carla Cirillo Ricercatore R3 SPIN
Roberta Caruso (*) Ricercatore Dottoranda Associato Spin
Davide Massarotti (*) Ricercatore Assegnista Università- Associato SPIN
CNR-NANO
Nome Ruolo Posizione Struttura (istituto CNR)
Francesco Giazotto Coordinatore NANO R3 Nano
Elia Strambini Ricercatore R3 TD Nano
Stefan Heun Ricercatore R2 Nano
Stefano Roddaro Ricercatore R3 Nano
Alessandro Braggio Ricercatore R3 Nano
Matteo Carrega* Ricercatore R3 Nano
Nadia Ligato Ricercatrice ass Nano
___________________________________________________________________________________
47
CNR-IMM
Nome Ruolo Posizione Struttura (istituto CNR)
Salvatore Lombardo Coordinatore IMM R1 CNR-IMM
Giuseppe D'Arrigo Ricercatore R3 CNR-IMM
Sebania Libertino Ricercatore R2 CNR-IMM
Faustino Martelli Ricercatore R2 CNR-IMM
Silvia Rubini Ricercatore R3 CNR-IOM
Stefano Turchini Ricercatore R3 CNR-ISM
Giuseppe Falci Professore R1 Associato CNR-IMM
Elisabetta Paladino Professore R2 Associato CNR-IMM
Acronimi. R1, R2, R3 T1, T2, T3: Ricercatore/Tecnologo 1°, 2°, 3° livello; FA. funzionario amministrazione,
CTER. collaboratore tecnico, TD. Tempo determinato, Ass. Assegnista, Dott. Dottorando. E’ indicati con * il
personale <35 anni.
CV key person
Filippo Levi
Nome Cognome Data nascita Istituto Ruolo nel progetto
Filippo Levi 22 Divembre 1966 INRIM – Metrologia Fisica Coordinatore Progetto
FL è dirigente di ricerca presso la divisione di metrologia fisica dell’INRIM. FL laureato in Fisica presso l’Università di Torino nel 1992, dottorato in Metrologia presso il Politecnico di Torino nel 1996. Nel 1995 inizia la sua attività di ricercatore presso l’Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris di Torino, confluito poi nel 2005 nell’INRIM. FL è stato per circa due anni (nel 1998 e nel 2004-2005) guest researcher presso il NIST (National Institute of Standards and Technology, Boulder-Co), dove ha collaborato alla realizzazione dei locali campioni di frequenza a fontana atomica di cesio. FL è stato responsabile del programma di ricerca Campioni atomici di frequenza dal 2007 al 2014. Ha poi ricoperto per alcuni mesi la carica di responsabile della divisione di ottica (settembre-dicembre 2014). E’ attualmente responsabile del programma Tempo e Frequenza, afferente alla divisione di Metrologia Fisica. Dal 2005 è membro del Working Group on Primary Frequency Standards del Bureau International des Poides et Measures. FL è attualmente membro del “Technical Program Committee” dell’IEEE Frequancy Control Symposium, ed é membro del comitato consultativo di tempo e frequenza (CCTF) nell’ambito del BIPM. FL ha diretto e dirige vari programmi di ricerca nazionali ed internazionale (ESA, MIUR, Compagnia di San Paolo, Regione Piemonte), per un ammontare complessivo di oltre 5M€. Nel 1999 ha ricevuto dall’European Time and Frequency Forumi il premio “young scientist award”. FL è autore di 75 pubblicazioni su rivista internazionale ISI (Indice H 22), di una monografia sull’ orologio “CPT Maser” e di molteplici altri lavori a stampa quali articoli in atti di conferenze e similari. La sua attività di ricerca è incentrata principalmente sul tema della misura accurata del tempo e della frequenza, ed in particolare si occupa della realizzazione dei campioni atomici di frequenza, delle tecniche di misura e disseminazione dei riferimenti di frequenza. Ha realizzato il campione primario di frequenza italiano e la rete di distribuzione di segnali ultra stabili in fibra ottica su scala nazionale(progetto LIFT).
___________________________________________________________________________________
48
Ivo Degiovanni
Nome Cognome Data nascita Istituto Ruolo nel progetto
Ivo Pietro Degiovanni 1972 INRIM - Metrologia Fisica Responsabile INRIM
IPD: è ricercatore all’INRIM dal 2003. La sua attività scientifica si è svolta nell’ambito dell’ottica quantistica, in particolare della radiometria quantistica e dell’informazione quantistica, come dimostrano le decine di articoli su riviste internazionali di cui è co-autore (più di 70). In particolare, ha studiato i problemi connessi alla caratterizzazione metrologica dei rivelatori a singolo fotone, nonchè partecipato alla realizzazione di sorgenti a singolo fotone. Si è inoltre occupato di tecniche di misura “quantum-enhanced”. E’ membro dell’Industry Specification Group sulla QKD dello European Telecommunications Standards Institute (ETSI), dove si occupa in particolare del problema della normazione delle misure sulle componenti dei sistemi QKD. E’ il coordinatore del progetto Europeo: Euramet EMPIR 14IND05 “MIQC2: Optical metrology for quantum-enhanced secure telecommunication”, ed è stato anche il Coordinatore di Unità Locale (INRIM) del progetto FIRB RBFR10UAUV (MIUR FIRB 2010).
Marco Bellini
Nome Cognome Data nascita Istituto Ruolo nel progetto
Marco Bellini 1967 CNR-INO Responsabile CNR
Marco Bellini (1967): Dottorato in Fisica nel 1996, dal 1999 Ricercatore dell’Istituto Nazionale di Ottica del CNR. Dal 2010 Dirigente di Ricerca INO‐CNR e responsabile di due gruppi di ricerca sperimentali che vedono la collaborazione dell’INO‐CNR, del LENS e del Dipartimento di Fisica dell’Università di Firenze, in studi di ottica quantistica e sulle interazioni radiazione‐materia ad altissima intensità. E’ co‐autore di più di 140 pubblicazioni su libri e riviste scientifiche internazionali con referee (tra cui 2 Science, 3 Nature Photonics, 12 PRL, etc.) e di circa 130 presentazioni a congressi (di cui 49 su invito). I suoi articoli sono stati citati più di 2400 volte e hanno un indice h pari a 26 (fonte ISI, 2015). Collabora attivamente con riviste scientifiche e gruppi di ricerca internazionali ed è Topical Editor di Optics Letters..
Davide Calonico
Nome Cognome Data nascita Istituto Ruolo nel progetto
Davide Calonico 19 Gennaio 1975 INRIM – Metrologia Fisica Coordinatore INRIM
DC è Primo Ricercatore presso la divisione di metrologia fisica dell’INRIM. Laurea in Fisica (Torino, 1999) PhD in Metrologia (Politecnico di Torino, 2003). Nel 2008 è assunto come Ricercatore presso INRIM. Dal 2010 è Responsabile delle Tarature dell’Area di Tempo e Frequenza dell’INRIM. Nel 2014 (6 mesi) Responsabile del programma di ricerca Campioni atomici di frequenza all’INRIM. E’ rappresentante italiano del Technical Committee Time and Frequency dell’Organizzazione Metrologica Europea Euramet. Dal 2015 coordina il Working Group on Optical Fiber Links del Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure (CIPM). Dal 2013 è membro del “Technical Program Committee” dell’European Time and Frequency Forum. Dal 2015 è Associato al LENS. Dal 2016 è presidente del Torino Piemonte Internet Exchange TOP-IX, Consorzio pubblico-privato con 85 consorziati e 2,5 M€ di fatturato. Dal 2012, DC è stato PI in programmi di ricerca nazionali ed internazionale (PRIN-MIUR: 2012 e 2015 Acquasim; EMRP: Itoc e Neat-FT; FP7: SOC2; H2020: Demetra e Clonets, H2020 ITN M. Curie: FACT; h2020 MSCA-RISE-2015: Q-Sense), per un valore di oltre 4 M€. E’ autore di 34 pubblicazioni su rivista internazionale ISI (H-index 14), della monografia “Il tempo è atomico” (Hoepli, 2013) e di più di altri 60 lavori a stampa (es. atti di congressi). Ha diretto tesi di Laurea e di Dottorato. La propria attività di ricerca si focalizza sulla metrologia di tempo e frequenza. Ha collaborato alla realizzazione del primo orologio italiano a fontana di Cesio, ha realizzato l’orologio ottico italiano a Ytterbio, ha realizzato la dorsale in fibra ottica per la distribuzione di frequenza (progetti LIFT, Metgesp).
___________________________________________________________________________________
49
Giovanni Piero Pepe
Nome Cognome Data nascita Istituto Ruolo nel progetto
Giovanni Piero Pepe 1963 CNR-SPIN Coordinatore SPIN
Giovanni Piero Pepe (nato nel 1963) si laurea in Fisica dello Stato Solido all'Università di Napoli nel 1988, attualmente è Professore Associato di Fisica Sperimentale presso il Dipartimento di Fisica della stessa Università, e dal 2011 Responsabile CNR SPIN della Unità di Napoli. Ha una consolidata esperienza di ricerca nel campo della superconduttività, in particolare nella fabbricazione e caratterizzazione di rivelatori superconduttivi anche con materiali HTS e superconduttori non convenzionali, superconduttivà di non equilibrio anche in etero‐strutture ibride e optoelettronica superconduttiva. G.P. P. è referee per molte riviste scientifiche internazionali ed è autore di più di 120 lavori su riviste .
Slavatore Lombardo
Nome Cognome Data nascita Istituto Ruolo nel progetto
Salvatore Lombardo 1964 CNR IMM Coordinatore IMM
Salvatore Lombardo (nato il 10 luglio 1964), Dirigente di Ricerca, Esperienza nel campo dei Dielettrici, Memorie a Semiconduttore, Fotovoltaico, e Fotorivelatori. Dal 1994 Ricercatore presso il CNR. Nel 2001 ha assunto il ruolo di Primo Ricercatore. Dal 2007 è Dirigente di Ricerca del CNR‐IMM. Ha effettuato vari periodi come visiting scientist presso Cornell University, IBM Research, e STMicroelectronics. E' membro di commissioni scientifiche di numerose conferenze e workshop internazionali, è coinvolto nella coordinazione di numerosi progetti di ricerca nazionali ed europei, nonché di collaborazioni scientifiche con enti in USA, Israele, e Singapore. Egli è autore di 10 brevetti, 5 articoli di rassegna, 5 capitoli in libri scientifici, e più di 200 articoli scientifici pubblicati su riviste internazionali con referee.
Costanza Toninelli
Nome Cognome Data nascita Istituto Ruolo nel progetto
Costanza Toninelli 1979 CNR-INO Coordinatrice INO
Costanza Toninelli (30/09/1979) è responsabile di un gruppo di ricerca al LENS dal 2012. A partire dalle sue esperienze nei campi della fotonica e della fisica atomica/molecolare, si occupa oggi di esperimenti su sistemi ibridi di singole molecole accoppiate a strutture fotoniche. Costanza ha ricevuto il premio Caroline Von Humoldt per migliore ricercatrice donna nel 2012. Nel 2015-2016 ha coordinato il progetto GRANCASSA finanziato dall’Ente Cassa di Risparmio di Firenze e Atom Based Nanotechnology, progetto premiale finanziato dal MIUR. E’ co‐autrice di numerose pubblicazioni su libri e riviste scientifiche internazionali con peer review (tra cui 5 della famiglia Nature, 3 PRL, etc.). Collabora attivamente con riviste scientifiche e gruppi di ricerca internazionali . Il suo principale interesse di ricerca è lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche basate sulla manipolazione ed il controllo di singoli fotoni, in combinazione con singoli emettitori quantistici (molecole organiche e centri di colore nel diamante). Tra i materiali e le strutture investigate ci sono membrane 2D, guide d’onda ibride dielettriche‐plasmoniche e sistemi disordinati.
Fabio Martinelli
Nome Cognome Data nascita Istituto Ruolo nel progetto
Fabio Martinelli 07 Novembre 1969 CNR-IIT Coordinatore CNR-IIT
Fabio Martinelli (1969) è ricercatore dell’Istituto di Informatica e Telematica (IIT) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) ed il è referente per le attività di cyber security del CNR. E’ co-autore di più di 200 pubblicazioni scientifiche in atti di conferenze e riviste internazionali. I suoi interessi di ricerca riguardano la sicurezza dei sistemi distribuiti. Fabio Martinelli ha promosso la creazione di vari gruppi di esperti nel
___________________________________________________________________________________
50
settore della sicurezza come il WG on “Security and Trust Management (STM)” del European Research Consortium in Informatics and Mathematics (ERCIM) ed il WG 11.14 in “Secure Engineering” dell’International Federation of Information Processing (IFIP). Fabio Martinelli é stato anche il coordinatore del progetto interdipartimentale sicurezza del CNR e di 5 progetti di ricerca Europei. In particolare è attualmente il coordinatore del progetto H2020 Europeo NeCS, la rete Europea per la cyber security ed il progetto H2020 C3ISP (collaborative and confidential information sharing and analytics for cyber protection). Inoltre Fabio Martinelli è stato tra i 5 coordinatori della cPPP ECS in cyber security (una iniziativa da 1.8 Miliardi di Euro) ed é stato recentemente nominato First Director della European Cyber Security Organization (ECSO), la principale organizzazione in Europa per la ricerca ed innovazione del settore della cyber security (composta da più di 165 organizzazioni, incluse tutte le maggiori industrie a livello mondiali ed i principali enti di ricerca Europei). Fabio Martinelli é co-editore della European Cyber Security Strategic Research Agenda della piattaforma promossa dalla Comunità Europea NIS-P.
Francesco Giazotto
Nome Cognome Data nascita Istituto Ruolo nel progetto
Francesco Giazotto 1969 NANO Coordinatore NANO
Francesco Giazotto (1969) ha ottenuto il PhD com laude in Fisica dello Stato Solido nel 2002 alla Scuola Normale Superiore di Pisa. Dal 2003 é ricercatore CNR al NEST, Istituto Nanoscienze. E’ stato invitato come scienziato per vari periodi dal 2003 al 2008 alla Aalto University di Helsinki (FI), e nel 2011 all’Università Joseph Fourier di Grenoble. Francesco Giazotto coordina come PI le attività di superconduttività mesoscopica, caloritronica coerente, refrigerazione elettronica, magnetometria quantistica ultrasensibile, spintronica superconduttiva, e trasporto quantistico a temperature ultrabasse al laboratorio NEST, Istituto Nanoscienze-CNR di Pisa. E co-autore di oltre 110 articoli in riviste internazionali (tra cui 1 RMP, 1 Nature, 3 Nat. Nanotech., 1 Nat. Comm., 3 Nat. Phys., 2 NanoLett., 11 PRL), possiede il brevetto di un rivelatore radiazione nel THz basato su effetto Josephson, è autore di 86 presentazioni a congressi (di cui 68 ad invito). E’ referee di progetti europei e delle maggiori riviste scientifiche internazionali. Dal 2007 Francesco Giazotto è stato PI in 10 progetti Europei e nazionali. Per la sua attività nel campo del trasporto di calore alla nanoscala ha ricevuto un ERC Consolidator Grant nel 2013.
Management
Il coordinatore del progetto è coadiuvato nelle sue attività dal personale amministrativo e da un Comitato
Tecnico Scientifico (CTS) costituito da 9 membri (key persons): il responsabile del progetto medesimo, i
responsabili delle unità operativa (un membro INRIM e uno CNR), un rappresentante INRIM ed un
rappresentante per ogni istituto del CNR.
Il responsabile del progetto avrà, tra gli altri, il compito di:
Definire e gestire il budget;
Coordinare il lavoro del CTS
Analizzare e controllare lo stato avanzamento lavoro e le tempistiche delle varie attività scientifiche.
Coordinare le attività di gestione del progetto con il personale amministrativo INRIM.
Il CTS avrà i seguenti compiti:
___________________________________________________________________________________
51
Produrre dei report periodici sullo stato di avanzamento del progetto, le criticità ed eventuali azioni correttive.
Definire le politiche di diffusione dei risultati scientifici in accordo con quanto indicato nel progetto.
Proporre azioni volte ad ottenere un più efficace sviluppo delle attività scientifiche.
Proporre nuove iniziative coordinata nell’ambito del progetto verso altri partner scientifici ed industriali potenzialmente interessati.
Mantenere relazioni con i partner industriali e scientifici non EPR che hanno espresso il loro sostegno e manifestato interesse al progetto.
L’Amministrazione dell’INRIM intende fare di questo bando di progetti finanziati con la quota premiale FOE
un’occasione per rendere più semplici e rapide sia le comunicazioni all’interno del gruppo di ricerca sia le
operazioni di acquisto, assistenza, monitoraggio e rendicontazione da parte degli addetti alle varie attività.
Le parole chiave dettate dal MIUR sono: semplificazione, de-materializzazione, innovazione gestionale.
Si ritiene che dette parole chiave possano trovare esplicazione concreta attraverso:
1) una radicale innovazione nella modalità di interlocuzione tra partner di progetto, applicando le
tecnologie più avanzate, in linea con le direttive AgID, e rafforzando l’approccio di una
amministrazione coinvolta negli obiettivi dei ricercatori, per semplificarne le operazioni
burocratiche. Di seguito i requisiti essenziali degli spazi virtuali dedicati ai progetti:
soluzione e piattaforma di tipo enterprise, allineate a standard e best practice
digitalizzazione dei processi chiave di un progetto di ricerca
time to market (passaggio dall’idea alla disponibilità) molto breve (3-4 mesi)
facilità di utilizzo da parte di tutti gli utenti
elevata sostenibilità per INRIM
nessun impatto sui sistemi informativi in uso presso INRIM;
2) una radicale innovazione nelle modalità di disseminazione scientifica e tecnologica attraverso i
canali radio, i canali televisivi e i blog specializzati nell’informazione e formazione scientifica;
3) la presenza, presso l’Istituto di un team di funzionari dedicato al supporto di tutte le fasi progettuali
- ivi compresa la predisposizione della rendicontazione e della documentazione per l’audit interno
ed esterno -, provvisto di competenza ed esperienza consolidate anche nell’ambito dei contratti di
ricerca internazionali, che può provvedere agli adempimenti di analisi manageriale del progetto,
monitoraggio di tutti gli aspetti (es: time sheet, emissione degli atti per acquisti di beni e servizi nel
rispetto del codice degli appalti DLgs 50/2016, emissione dei bandi per assegni di ricerca, sicurezza
e qualità delle procedure di sperimentazione, ecc.);
4) forte integrazione tra le attività dei ricercatori e attività gestionali;
5) miglioramento della trasparenza rispetto all'utilizzo degli investimenti e ai risultati raggiunti grazie
ad una piattaforma che governi secondo metodologie avanzate i processi di progetto, contratto e
gestione finanziaria;
6) forte committment del Presidente, del Consiglio di Amministrazione e della Direzione Generale.
___________________________________________________________________________________
52
Riferimenti bibliografici
[Alléaume 2014] Using quantum key distribution for cryptographic purposes: A survey. Theoretical
Computer Science 560 (2014) 62–81.
[Alvaro 2009]: Alvaro A. Cárdenas , Saurabh Amin , Bruno Sinopoli , Annarita Giani , Adrian Perrig , Shankar
Sastry, “Challenges for Securing Cyber Physical Systems”, CRC Press, 2009.
[Bennett1984] C. H. Bennett and G. Brassard, “Quantum cryptography: Public key distribution and coin
tossing,” in “Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems, and Signal Processing,”
(IEEE Press, New York, Bangalore, India, 1984), pp. 175–179
[Calonico 2014] Calonico, D.; Bertacco, E. K.; Calosso, C. E.; Clivati, C.; Costanzo, G. A.; Frittelli, M.; Godone,
A.; Mura, A.; Poli, N.; Sutyrin, D. V.; Tino, G.; Zucco, M. E.; Levi, F., “High-accuracy coherent optical
frequency transfer over a doubled 642-km fiber link”, APPLIED PHYSICS B, 117, 979-986 (2014)
[Calonico 2015] D. Calonico, M. Inguscio, F. Levi, Light and the distribution of time, 2015 European Physics
Letters 110 4000 (2015)
[Carruthers 2016]: Kate Carruthers, “Internet of Things and Beyond: Cyber-Physical Systems”, IEEE Internet
of Things Newsletters, 2016.
[ESMA 2016] Guidelines Transaction reporting, order record keeping and clock synchronisation under MiFID
II, 10 October 2016, Ed. ESMA/2016/1452. https://www.esma.europa.eu/sites/default/files/library/2016-
1452_guidelines_mifid_ii_transaction_reporting.pdf
[ETSI 2015] Quantum Safe Cryptography and Security. An introduction, benefits, enablers and challenges
[Grau 2015]: Alan Grau, “ Intrusion detection software lowers Internet of Things (IoT) risk”, Control
Engineering, 2015, http://www.controleng.com/single-article/intrusion-detection-software-lowers-
internet-of-things-iot-risk/e1ca58c3af94e41f26bc4836c21803f5.html
[Honjo2008] T. Honjo, S. W. Nam, H. Takesue, Q. Zhang, H. Kamada, Y. Nishida, O. Tadanaga, M. Asobe, B.
Baek, R. Hadfield, S.Miki,M. Fujiwara, M. Sasaki, Z.Wang, K. Inoue, and Y. Yamamoto, “Long-distance
entanglement-based quantum key distribution over optical fiber,” Opt. Express 16, 19118–19126 (2008).
[IEEE 2013] Mogensen P., et al. “5G small cell optimized radio design” 2013 IEEE Globecom Workshops , 9-
13 Dec 2013, ISBN: 978-1-4799-2851-4.
[Inoue2002] K. Inoue, E. Waks, and Y. Yamamoto, “Differential phase shift quantum key distribution,” Phys.
Rev. Lett. 89, 037902 (2002)
[Kaiser2016] Kaiser et al, Optica 3, 362 (2016)
[Kartheek 2012] D N Kartheek, M Abhilash Kumar, M R Pavan Kumar SECURITY USING QUANTUM KEY
DISTRIBUTION PROTOCOLS (QKDPs). International Journal of Scientific & Engineering Research Volume 3,
Issue 3, March -2012 1
___________________________________________________________________________________
53
[Krogh 2007]: Bruce Krogh, Marija Ilic, S. Shankar Sastry. "National Workshop on Beyond SCADA:
Networked Embedded Control for Cyber-Physical Systems (NEC4CPS): Research Strategies and Roadmap".
Technical report, Team for Research in Ubitquitous Secure Technology (TRUST), July, 2007.
[Lisdat 2016] C. Lisdat. et al., “A clock network for geodesy and fundamental science”, Nature
Communications 7, 12443 (2016)
[Madsen 2012] Madsen et al, Nat. Comm. 3, 1083 (2012)
[Natarajan2012] C. M. Natarajan, M. G. Tanner, and R. H. Hadfield, “Superconducting nanowire single-
photon detectors: physics and applications,” Supercond. Sci. Tech. 25, 063001 (2012)
[NIST]: NIST CPS Public Working Group, “Cyber Physical Systems”, https://www.nist.gov/el/cyber-physical-
systems.
[Predhel 2012] PRedhel K., et al., “A 920-Kilometer Optical Fiber Link for Frequency Metrology at the 19th
Decimal Place” Science 336, 441 (2012);
[Shodan]: Shodan website, https://www.shodan.io/
[Stucki2009] D. Stucki, N.Walenta, F. Vannel, R. T. Thew, N. Gisin, H. Zbinden, S. Gray, C. R. Towery, and S.
Ten, “High rate, long-distance quantum key distribution over 250 km of ultra low loss fibres,” New J. Phys.
11, 075003 (2009)
[Takesue2007] H. Takesue, S. W. Nam, Q. Zhang, R. H. Hadfield, T. Honjo, K. Tamaki, and Y. Yamamoto,
“Quantum key distribution over a 40-dB channel loss using superconducting single-photon detectors,” Nat.
Photonics 1, 343–348 (2007)
[Tanaka2008] A. Tanaka, M. Fujiwara, S.W. Nam, Y. Nambu, S. Takahashi, W.Maeda, K. Yoshino, S. Miki, B.
Baek, Z.Wang, A. Tajima, M. Sasaki, and A. Tomita, “Ultra fast quantum key distribution over a 97 km
installed telecom fiber with wavelength division multiplexing clock synchronization,” Opt. Express 16,
11354–11360 (2008)
[Wilhoit 2013]: Kyle Wilhoit, “The SCADA That Didn’t Cry Wolf Who’s Really Attacking Your ICS
Equipment?”, http://www.trendmicro.com/cloud-content/us/pdfs/security-intelligence/white-papers/wp-
the-scada-that-didnt-cry-wolf.pdf, 2013
[Zhang 2006]: Q. Zhang, T. Yu, and P. Ning. A framework for identifying compromised nodes in sensor
networks. In Proceedings of the 2nd International Conference on Security and Privacy in Communication
Networks (SecureComm 2006), August 2006
___________________________________________________________________________________
54
Allegato I: lettere di partecipazione e attestati di interesse
___________________________________________________________________________________
55
___________________________________________________________________________________
56
___________________________________________________________________________________
57
___________________________________________________________________________________
58
___________________________________________________________________________________
59
___________________________________________________________________________________
60
___________________________________________________________________________________
61
