C'è un nuovo modo per rompere la crittografia quantistica

470906 | Spruzza

La grande promessa della comunicazione quantistica è la perfetta privacy: la capacità di trasferire un messaggio da un punto all'altro dell'universo in modo tale che le stesse leggi della fisica impediscano a un intercettatore di ascoltarlo.

Per gli hacker, quel tipo di promessa è come una bandiera rossa per un toro. Da quando i primi sistemi di crittografia quantistica commerciale sono diventati disponibili all'inizio degli anni 2000, le persone hanno ripetutamente tentato di abbatterli, con notevole successo. Gli attacchi hanno sfruttato spietatamente le imperfezioni delle apparecchiature utilizzate per inviare informazioni quantistiche. In tal modo, gli hacker hanno dimostrato che anche se le leggi della fisica offrono una sicurezza perfetta, le apparecchiature non possono mai essere perfette. E queste imperfezioni creano scappatoie che possono essere sfruttate.

I fisici quantistici sono stati costretti a rispondere rapidamente, sviluppando nuovi protocolli che non dipendono dalle apparecchiature. La cosiddetta crittografia quantistica indipendente dal dispositivo offre una sicurezza perfetta anche quando l'apparecchiatura non è perfetta. Almeno in teoria.

Ma la verità spaventosa sull'implementazione della crittografia quantistica è che qualcuno, da qualche parte, può sempre essere scoperto che ha trascurato qualcosa di importante. E questa svista consentirà un hack.

Oggi, Xiao-Ling Pang e colleghi della Shanghai Jiao Tong University in Cina affermano di aver trovato uno di quei fattori trascurati. Grazie a questa scoperta, il team è riuscito a hackerare la crittografia quantistica indipendente dal dispositivo con un tasso di successo spaventosamente alto.

Prima un po' di background. La maggior parte dei sistemi di crittografia quantistica codifica le informazioni utilizzando i fotoni. Alice invia i fotoni a Bob, che li misura per rivelare le informazioni.

Questo processo si basa sul fatto che misurare le proprietà quantistiche di un fotone cambia sempre le informazioni che trasporta. Quindi, se qualche intercettatore si sta sintonizzando, Alice e Bob possono individuare la presenza di Eve dai cambiamenti che introduce al messaggio originale. Se trovano prove di intercettazioni, ricominciano. In effetti, continuano a inviare nuovamente i dati finché non possono essere sicuri che nessuno li abbia ascoltati.

Ovviamente, Alice non può usare questa tecnica per inviare un messaggio privato, perché è possibile rilevare Eve solo dopo che ha ascoltato. Invece, Alice la usa per inviare a Bob una chiave, un blocco unico, che può usare per crittografare un messaggio e inviarlo su un canale classico. Un one-time pad è sicuramente sicuro, a condizione che nessun altro conosca la chiave.

Vari ricercatori di sicurezza informatica hanno trovato il modo di hackerare questo tipo di sistema. Un difetto che hanno sfruttato è che i dati sono spesso codificati nella polarizzazione di un fotone: un fotone polarizzato verticalmente potrebbe codificare un uno e una polarizzazione orizzontale a 0 .

Un trucco è puntare un laser ad alta potenza nell'apparecchiatura in modo che rifletta i polarizzatori all'interno. Le riflessioni rivelano l'orientamento utilizzato per polarizzare e codificare i fotoni in uscita. E questo rivela il codice. Per contrastare questo, i fisici hanno sviluppato modi per prevenire queste riflessioni.

Entrano Pang e colleghi, che affermano di aver trovato un modo completamente nuovo per attaccare la comunicazione quantistica che non si basa sui riflessi. La nuova tecnica fa perno invece su un effetto chiamato injection locking. Questo è un metodo per modificare la frequenza di un laser iniettando fotoni con una frequenza seme diversa nella cavità laser. A condizione che la differenza di frequenza sia piccola, il laser alla fine risuona con la frequenza del seme.

Pang e co iniettano fotoni nel laser di Alice in modo che cambino la frequenza di uscita. Ma questo funziona solo se i fotoni di Pang possono passare attraverso il polarizzatore nella cavità laser. Per garantire che ciò avvenga, Pang e co-iniettano quattro fotoni, ciascuno con un orientamento diverso: orizzontale, verticale e più o meno 45 gradi. Quindi aspettano di vedere se questo cambia la frequenza del fotone in uscita di Alice. Se la frequenza viene alterata, la polarizzazione del fotone in entrata deve corrispondere a quella in uscita.

E questo rivela il codice senza misurare la polarizzazione del fotone in uscita. Pang e compagni quindi riportano la frequenza di questo fotone alla frequenza prevista e la inviano a Bob, che non è affatto più saggio.

Ecco! Un hack che rivela le informazioni quantistiche a Eve all'insaputa di Alice o Bob.

Pang e compagni affermano di aver testato l'approccio con risultati notevoli. Dimostriamo che Eve può controllare la sorgente di Alice forzando la risonanza del suo laser a una frequenza prestabilita, dicono. Otteniamo una percentuale di successo dell'hacking che raggiunge il 60,0%.

Questo è un lavoro interessante che delinea ancora un altro passo nel gioco del gatto e del topo dell'hacking quantistico.

Ovviamente, il passo successivo è trovare modi per prevenire il blocco dell'iniezione e Pang e co hanno fatto i primi tentativi. Dicono che una contromisura ovvia sia usare dispositivi noti come isolatori, che consentono ai fotoni di viaggiare in una direzione ma non nell'altra.

Tuttavia, questi dispositivi non sono affatto perfetti. Di solito consentono ai fotoni di viaggiare in una direzione, ma riducono semplicemente il numero che può viaggiare nell'altra.

Pang e co includono isolatori nella loro configurazione che riducono la trasmissione di fotoni indesiderati fino a 3 decibel. Ciò riduce il tasso di successo dell'hacking al 36%, che descrivono come una perdita di informazioni ancora notevolmente elevata.

Naturalmente, non è difficile pensare ad altri modi per ridurre l'efficacia di questo tipo di attacco. Ma c'è un messaggio più grande qui: che i difetti nella crittografia quantistica indipendente dal dispositivo stanno ancora venendo alla luce. Il messaggio principale che vorremmo trasmettere qui è che potrebbero esistere molte altre scappatoie fisiche, affermano Pang e co.

Questo è un messaggio importante. Diverse aziende ora offrono servizi di crittografia quantistica commerciale con la promessa di una privacy oltre a quella ottenibile con i sistemi classici. È probabile che questo tipo di lavoro dia a loro e ai loro clienti alcune notti insonni.

Rif: arxiv.org/abs/1902.10423 : Hacking Quantum Key Distribution tramite Injection Locking

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