Comunicazione Diretta Sicura Quantistica: cos’è e come funziona

Negli anni ’80, i fisici quantistici scoprirono che le strane regole della meccanica quantistica consentivano l’invio di informazioni da una parte all’altra dell’universo garantendo una completa privacy. La cosiddetta “crittografia quantistica (leggi cos’è)“, difatti, secondo gli studiosi può raggiungere livelli notevoli, in quanto la sicurezza del messaggio sarebbe garantita dalle leggi della fisica stessa. Difatti, nel giro di pochi anni, i ricercatori hanno dimostrato la tecnica in laboratorio ed oggi la crittografia quantistica sta diventando commercialmente valida grazie a aziende come ID Quantique a Ginevra, in Svizzera.

Ma l’intero meccanismo è un po’ controintuitivo. Il messaggio privato non viene inviato utilizzando la meccanica quantistica, al contrario, i fisici utilizzano i processi quantistici per inviare un codice chiamato one-time pad che viene utilizzato per crittografare il messaggio originale. Il messaggio crittografato viene quindi inviato su un normale canale di telecomunicazioni e decodificato nel solito modo. La tecnica è chiamata distribuzione di chiavi quantistiche.

Gli informatici sanno che un messaggio codificato usando un pad singolo non può essere violato, per cui la sicurezza deriva dalla possibilità di inviare il pad unico con perfetta privacy, che è ciò che garantisce questo approccio.

E ciò solleva una domanda interessante. Se è possibile inviare il pad one-time in modo sicuro utilizzando la meccanica quantistica, perché non inviare semplicemente il messaggio originale in questo modo?

Comunicazione Diretta Sicura Quantistica: cos’è e come funziona

Oggi, Wei Zhang alla Tsinghua University di Pechino ed i suoi colleghi dicono di aver fatto proprio questo. Il nuovo processo si chiama Comunicazione Diretta Sicura Quantistica (CDSQ) e il team cinese l’ha utilizzato per la prima volta attraverso 500 metri di cavo in fibra ottica.

La ragione per cui i fisici hanno fatto affidamento sul pad monouso in passato è semplice: si tratta di capire se un messaggio è stato ascoltato. I fisici, difatti, possono accertarlo perché le particelle quantistiche non possono essere misurate senza distruggere le informazioni che contengono.
Quindi, quando i fotoni vengono trasmessi, se arrivano nello stesso stato in cui sono stati inviati, significa che un intercettatore non può aver estratto le informazioni che contengono. Ma se arrivano in uno stato diverso, è evidente che le informazioni sono trapelate nell’ambiente e il messaggio non è sicuro. (In pratica, i fisici possono essere sicuri che un messaggio è sicuro fintanto che questa perdita è al di sotto di qualche soglia critica).

Il vero problema allo stato attuale è di ordine temporale in quanto la perdita diventa evidente solo dopo che si è verificata. In altri termini, la violazione verrebbe scoperta solo dopo che informazioni sono nelle mani dell’intercettatore.

Proprio per questo motivo si ricorre allo stratagemma del blocco temporaneo, un insieme di numeri casuali che possono essere utilizzati per crittografare un messaggio. Se il pad singolo viene ascoltato, i fisici lo ignorano e ne inviano un altro, finché non sono sicuri che il processo sia completamente riservato.

In realtà oggi dal punto di vista teorico sarebbe già possibile eliminare il blocco temporaneo e garantire comunque la segretezza di un messaggio prima che venga inviato. Il metodo sfrutta il fenomeno quantistico dell’entanglement. Ciò si verifica quando le particelle quantistiche sono così strettamente collegate che condividono la stessa esistenza, ad esempio quando sono entrambe create nello stesso momento e luogo.

Quando ciò accade, le particelle rimangono collegate, anche se separate da grandi distanze, di conseguenza la misurazione su una particella influenza immediatamente lo stato dell’altro. Quindi il trucco sarebbe quello di creare un insieme di particelle entangled, come i fotoni, e codificare le informazioni nel loro stato di polarizzazione. Ad esempio la polarizzazione verticale potrebbe rappresentare un 1 e la polarizzazione orizzontale 0.

Il mittente A, conserva metà di ogni coppia di fotoni e manda gli altri a B, che ha quindi una serie di fotoni che sono inseriti nei fotoni di A. B separa i suoi fotoni in modo casuale in due gruppi, misura le polarizzazioni di un set e invia i risultati ad A. Quindi controlla se gli stati sono cambiati durante la trasmissione, in altre parole, se C, ad esempio, ha intercettato il messaggio. Nel caso ciò non sia accaduto A e B sanno che C non può aver visto neanche gli altri fotoni, perché sono stati separati a caso. Ciò significa che A e B possono utilizzare i fotoni rimanenti per trasmettere dati sfruttando il normale processo di comunicazione quantistica, che è perfettamente privato.

I risultati mostrano chiaramente le potenzialità di questa tecnica di Wei Zhang. “Questo sistema, basato su fibra ha il potenziale per realizzare una velocità di trasmissione vicina ai tassi chiave di sicurezza degli attuali sistemi di distribuzione delle chiavi quantistiche commerciali” ha affermato lo studioso.

Naturalmente, saranno indispensabili diversi miglioramenti per rendere commercialmente possibile questo tipo di sistema. Ma è stato realizzato un altro importante passo verso la comunicazione sicura interamente basata su un sistema quantistico, per la cyber security.