Il satellite cinese utilizza la crittografia quantistica per la videoconferenza sicura tra i continenti

La crittografia quantistica consente comunicazioni sicure grazie alle leggi della fisica. E sta diventando sempre più importante.

I fisici sanno da tempo che i computer quantistici saranno in grado di violare quasi tutti gli altri tipi di crittografia. Poiché questi dispositivi stanno diventando più capaci, la scrittura è sul muro per la crittografia convenzionale. Quindi le imprese commerciali, i governi e le forze armate stanno tutti aspettando con il fiato sospeso lo sviluppo di pratici sistemi di crittografia quantistica.

Ma c'è un problema. La crittografia quantistica si basa sui singoli fotoni per trasportare informazioni quantistiche. Ma anche le migliori fibre ottiche possono trasportare questi fotoni solo fino a un certo punto, circa 200 chilometri, prima che l'assorbimento della luce renda il processo impossibile. Quindi la crittografia quantistica non ha mai funzionato su distanze molto più lunghe.

Oggi le cose cambiano, grazie a uno straordinario satellite cinese lanciato nel 2016. Il satellite Micius ha accumulato una serie di traguardi nell'anno circa da quando ha iniziato a funzionare. La scorsa estate, ha teletrasportato il primo oggetto dalla Terra all'orbita: un singolo fotone.

Ora il satellite ha istituito il primo servizio di crittografia quantistica intercontinentale. I ricercatori hanno testato il sistema istituendo una videoconferenza sicura tra Europa e Cina. Per la prima volta la sicurezza di questa videoconferenza è stata garantita dalle leggi della fisica.

Il metodo è semplice. La crittografia quantistica si basa su quello che viene chiamato un one-time pad per garantire la privacy. Questo è un insieme di numeri casuali, una chiave, che può essere utilizzato da due parti per codificare e decodificare un messaggio.

Tradizionalmente, il problema con i pad monouso è garantire che solo il trasmettitore e il ricevitore li abbiano. Come possono entrambe le parti essere sicure che nessun intercettatore abbia copiato la chiave mentre veniva distribuita?

Questo problema viene risolto in modo ordinato inviando la chiave utilizzando particelle quantistiche come i fotoni, poiché è sempre possibile dire se una particella quantistica è stata osservata in precedenza. In tal caso, la chiave viene abbandonata e un'altra inviata fino a quando entrambe le parti non sono sicure di essere in possesso di un blocco unico non osservato.

Questa è la distribuzione della chiave quantistica, il processo cruciale al centro della crittografia quantistica. Dopo che entrambe le parti hanno la chiave, l'one-time pad, possono comunicare sui normali canali classici con perfetta sicurezza.

Il satellite Micius distribuisce semplicemente questa chiave dall'orbita. Poiché si trova in un'orbita sincrona con il sole sopra i poli, il satellite passa su ogni parte della superficie terrestre all'incirca alla stessa ora locale ogni giorno.

Quindi, quando il satellite è sopra la stazione di terra cinese a Xinglong, nella provincia settentrionale dell'Hebei, in Cina, invia a terra l'unico pad, codificato in singoli fotoni utilizzando un protocollo ben consolidato. Mentre la Terra ruota sotto il satellite e quando viene visualizzata la stazione di terra di Graz in Austria, Micius invia lo stesso pad monouso al ricevitore lì.

Le due posizioni quindi possiedono entrambe la stessa chiave che consente loro di avviare una comunicazione completamente sicura su un collegamento classico.

Tuttavia, l'esperimento fa un ulteriore passo avanti. L'obiettivo era organizzare una videoconferenza tra l'Accademia cinese delle scienze a Pechino e l'Accademia austriaca delle scienze a Vienna, quindi la chiave deve essere distribuita in modo sicuro a entrambe queste sedi. E per questo i team utilizzano la comunicazione quantistica a terra su fibre ottiche.

Infine, hanno impostato un collegamento video protetto dall'Advanced Encryption Standard (AES) che viene aggiornato ogni secondo da codici seme a 128 bit. A settembre hanno tenuto una videoconferenza pionieristica della durata di 75 minuti con una trasmissione dati totale di circa due gigabyte.

Abbiamo dimostrato la comunicazione quantistica intercontinentale tra più luoghi sulla Terra con una separazione massima di 7.600 chilometri, affermano i team, guidati da Anton Zeilinger presso l'Università di Vienna e da Jian-Wei Pan presso l'Università di Scienza e Tecnologia della Cina in Hefei, Cina.

Ci sono alcune potenziali debolezze nel sistema su cui lavorare per il futuro. Forse la cosa più significativa è che il satellite è considerato sicuro durante il tempo necessario per collegare le due stazioni di terra. Potrebbe essere vero - chi potrebbe hackerare un satellite in orbita? - ma questa sicurezza non è garantita dalle leggi della fisica. Tuttavia, i team affermano che questo può essere affrontato in progetti futuri con un relè quantistico end-to-end.

Qualunque siano le carenze, questo è un lavoro impressionante. È una dimostrazione di principio di comunicazione sicura su scala globale. Il nostro lavoro punta verso una soluzione efficiente per una rete quantistica globale a lunghissima distanza, gettando le basi per una futura Internet quantistica, affermano Zeilinger, Jian-Wei e i loro colleghi.

Molti governi, operatori militari e imprese commerciali sono desiderosi di una capacità simile. Quindi sicuramente non passerà molto tempo prima che le versioni commerciali del satellite Micius vendano questo tipo di comunicazione sicura in tutto il mondo. Con la Cina in testa.

Rif: arxiv.org/abs/1801.04418 : Rete quantistica intercontinentale trasmessa da satellite

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