Prima dimostrazione sperimentale di una macchina dell'enigma quantistico

Uno dei grandi eroi sconosciuti della scienza del 20° secolo era un matematico e ingegnere dei famosi Bell Laboratories nel New Jersey chiamato Claude Shannon. Durante gli anni '40, '50 e '60, Shannon ha gettato le basi matematiche per le comunicazioni e l'informatica moderne mentre costruiva alcune delle prime macchine intelligenti.

Lungo la strada, ha anche dato un importante contributo alla teoria della crittografia con un articolo intitolato Communication Theory of Secrecy Systems, pubblicato nel 1949. In esso, ha dimostrato che è possibile inviare un messaggio perfettamente sicuro a condizione che la chiave di crittografia sia del tutto casuale e usato una sola volta.

Il lavoro di Shannon è la prova matematica che il blocco unico è una forma di crittografia davvero indistruttibile. Una condizione critica è che la chiave di crittografia deve essere lunga almeno quanto il messaggio stesso.

La prima macchina per enigma quantistico.

Il lavoro di Shannon presuppone che il messaggio venga inviato utilizzando forme di trasmissione convenzionali. Ma negli ultimi 10 anni, i fisici quantistici hanno dimostrato che è possibile fare di meglio se il messaggio viene crittografato utilizzando regole quantistiche. In particolare, hanno dimostrato che nel mondo quantistico un messaggio sicuro può essere inviato con una chiave significativamente più corta del messaggio stesso. Almeno in teoria.

I ricercatori hanno battezzato questo dispositivo una macchina dell'enigma quantistico, dal nome del dispositivo di crittografia nazista che i decifratori di codici guidati da Alan Turing hanno violato durante la seconda guerra mondiale. Ma il dispositivo è stato del tutto teorico.

Finora. Oggi, Daniel Lum dell'Università di Rochester nello Stato di New York e alcuni amici svelano per la prima volta una macchina per enigma quantistico funzionante. Il loro dispositivo di prova di principio è in grado di inviare messaggi perfettamente sicuri utilizzando una chiave più corta del messaggio stesso.

Un one-time pad funziona aggiungendo un numero casuale a ciascuna cifra in un messaggio. Ciò rende il messaggio indistinguibile da una casualità. Può essere letto solo sottraendo gli stessi numeri casuali per produrre il messaggio originale.

La segretezza dipende dal fatto che il trasmettitore e il ricevitore siano le uniche persone con l'elenco di numeri casuali. E ovviamente questo elenco deve essere più lungo del messaggio stesso.

La versione quantistica di questo processo funziona codificando le informazioni in un oggetto quantistico come un fotone e quindi alterando lo stato del fotone con un'operazione casuale. Le informazioni possono essere recuperate solo invertendo l'operazione casuale. Quindi, fintanto che solo il trasmettitore e il ricevitore conoscono la sequenza di operazioni casuali - la chiave quantistica - e che questa chiave viene utilizzata solo una volta, il messaggio è perfettamente sicuro.

Tuttavia, i teorici quantistici hanno dimostrato che la chiave quantistica può essere esponenzialmente più breve del messaggio stesso.

Ora Lum e compagni hanno costruito un trasmettitore e un ricevitore che sfrutta questo meccanismo. Il loro dispositivo consiste in una pistola fotonica che spara singoli fotoni attraverso una specie di maschera chiamata modulatore di luce spaziale che sovrappone le informazioni al fronte d'onda del fotone. Se questo modulatore è costituito da un array 8 x 8, può codificare 64 bit di informazioni. Allo stesso tempo, il modulatore di luce spaziale aggiunge un segnale casuale alle informazioni che trasmette.

Il punto importante è che tutte le informazioni codificate sul fotone sono randomizzate da un segnale casuale. Quindi la sequenza di segnali casuali utilizzati per la crittografia può essere significativamente più breve del messaggio stesso.

Ciò consente una svolta importante. Poiché il messaggio è più breve della chiave, è anche possibile inviare una nuova chiave per codificare il messaggio successivo. In questo modo il messaggio e la nuova chiave vengono inviati contemporaneamente ed entrambi vengono mantenuti completamente segreti.

Il ricevitore rileva ogni fotone utilizzando un array fotosensibile in grado di rilevare il pattern sovrapposto al fotone. Quindi sottrae il segnale casuale lasciando il messaggio originale.

Lum e co hanno fatto esattamente questo. Abbiamo dimostrato il fenomeno con un esperimento di prova di principio per bloccare 6 bit per fotone utilizzando meno di 6 bit per fotone di chiave segreta, afferma il team. In altre parole, questi ragazzi hanno costruito la prima macchina per enigma quantistico a prova di principio.

Questo è un risultato interessante che ha un'applicazione immediata. I fisici usano già la meccanica quantistica per inviare messaggi perfettamente sicuri usando una tecnica chiamata distribuzione di chiavi quantistiche. Le tecniche per farlo stanno diventando sempre più avanzate. In effetti, esistono già sul mercato versioni commerciali di questo tipo di crittografia quantistica.

Lum e colleghi affermano che la tecnologia e le tecniche sviluppate per la distribuzione delle chiavi quantistiche possono essere immediatamente applicate alla costruzione di macchine quantistiche enigma. Quindi non c'è motivo per cui la tecnica non possa essere commercializzata nel prossimo futuro. Shannon sarebbe sicuramente rimasta colpita.

Rif: arxiv.org/abs/1605.06556 : Una macchina dell'enigma quantistico: dimostrazione sperimentale del blocco dei dati quantistici

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