Quantum Breakthrough annuncia una nuova generazione di messaggistica perfettamente sicura

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 in completa privacy. Questa cosiddetta crittografia quantistica sarebbe perfetta, dicevano, perché la sicurezza del messaggio sarebbe garantita dalle stesse leggi della fisica.

Nel giro di pochi anni, i ricercatori hanno dimostrato la tecnica in laboratorio e oggi la crittografia quantistica sta diventando commercialmente valida grazie ad 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. Invece, i fisici usano 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 modo consueto. La tecnica è chiamata distribuzione della chiave quantistica.

Alice e Bob possono scambiarsi messaggi perfettamente sicuri utilizzando la nuova tecnica quantistica.

Gli informatici sanno che un messaggio codificato utilizzando un one-time pad non può essere violato. Quindi la sicurezza deriva dalla possibilità di inviare il one-time pad con una privacy perfetta, che è ciò che garantisce questo approccio.

E questo solleva una domanda interessante. Se è possibile inviare il blocco monouso in modo sicuro utilizzando la meccanica quantistica, perché non inviare semplicemente il messaggio originale in questo modo?

Oggi Wei Zhang della Tsinghua University di Pechino e alcuni amici dicono di aver fatto proprio questo. Il nuovo processo si chiama comunicazione diretta quantistica sicura e il team cinese lo ha utilizzato per la prima volta attraverso 500 metri di cavo in fibra ottica.

Il motivo per cui in passato i fisici hanno fatto affidamento sugli assorbenti monouso è semplice. Il problema è se un messaggio è stato ascoltato. I fisici possono verificarlo 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, un intercettatore non può aver estratto le informazioni che contengono. Ma se arrivano in uno stato diverso, questa è una chiara prova 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 una certa soglia critica.)

Il problema è che la perdita diventa evidente solo dopo che si è verificata. Quindi un intercettatore avrebbe già le informazioni prima che i fisici scoprissero lo stratagemma.

Ecco perché usano questo processo per inviare un one-time pad, un insieme di numeri casuali che possono essere utilizzati per crittografare un messaggio. Se il blocco unico viene ascoltato, i fisici semplicemente lo ignorano e ne inviano un altro, finché non possono essere sicuri che il processo fosse completamente privato.

Ma i fisici apprezzerebbero moltissimo eliminare il blocco unico se potessero trovare un modo per garantire la segretezza di un messaggio prima che venga inviato. E alcuni anni fa, i teorici hanno escogitato un modo per farlo.

Il metodo sfrutta il fenomeno quantistico dell'entanglement. Ciò si verifica quando le particelle quantistiche sono così strettamente legate da condividere la stessa esistenza, ad esempio quando vengono create entrambe nello stesso momento e nello stesso luogo.

Quando ciò accade, le particelle rimangono collegate, anche quando sono separate da grandi distanze. E una misurazione su una particella influenza immediatamente lo stato dell'altra.

Quindi il trucco è creare un insieme di particelle entangled, come i fotoni, e codificare le informazioni nel loro stato di polarizzazione. Quindi la polarizzazione verticale potrebbe rappresentare a uno e polarizzazione orizzontale a 0 , ad esempio.

Il mittente, Alice, conserva una metà di ogni coppia e invia gli altri a Bob, che quindi ha una serie di fotoni che sono entangled con i fotoni di Alice.

Bob separa casualmente i suoi fotoni in due gruppi. Misura le polarizzazioni di un set e invia i risultati ad Alice. Quindi controlla se gli stati sono cambiati durante la trasmissione, in altre parole, se Eve ha ascoltato.

In caso contrario, Alice e Bob sanno che anche Eva non può aver visto gli altri fotoni, perché sono stati separati a caso. Ciò significa che Alice e Bob possono utilizzare i fotoni rimanenti per trasmettere dati utilizzando il normale processo di comunicazione quantistica, che è perfettamente privato.

Ed è esattamente ciò che Zhang e co hanno fatto. Uno dei motivi per cui l'esperimento è difficile è che i fotoni devono essere immagazzinati mentre questo processo di verifica è in corso. Zhang e colleghi lo fanno inviando i fotoni attorno a un anello di due chilometri di fibra ottica ed eseguendo i controlli il più rapidamente possibile. Più tempo impiega, più è probabile che i fotoni vengano assorbiti o dispersi dalla fibra ottica.

I risultati mostrano chiaramente il potenziale della tecnica. Questo sistema QSDC basato su fibra ha il potenziale per realizzare una velocità di trasmissione vicina ai tassi delle chiavi di sicurezza degli attuali sistemi di distribuzione delle chiavi quantistiche commerciali, affermano Zhang e co. Il vantaggio [è] che il sistema QSDC potrebbe trasmettere non solo chiavi sicure ma anche informazioni direttamente.

Naturalmente, sono necessari vari miglioramenti per rendere commercialmente fattibile questo tipo di sistema. Ma il lavoro è un importante trampolino di lancio verso una comunicazione sicura interamente basata sui quanti. Banche, governi e agenzie militari guarderanno con impazienza.

Rif: arxiv.org/abs/1710.07951 : Comunicazione diretta quantistica sicura sperimentale a lunga distanza

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