Spiegatore: che cos'è la comunicazione quantistica?

La signora Tech

Questo è il secondo di una serie di spiegazioni sulla tecnologia quantistica. Gli altri due riguardano l'informatica quantistica e la crittografia post-quantistica.

Passa appena una settimana senza che vengano segnalati alcuni nuovi mega-hack che hanno esposto enormi quantità di informazioni sensibili, dai dettagli delle carte di credito e dalle cartelle cliniche delle persone alla preziosa proprietà intellettuale delle aziende. La minaccia rappresentata dagli attacchi informatici sta costringendo i governi, le forze armate e le aziende a esplorare modi più sicuri per trasmettere le informazioni.

Oggi, i dati sensibili vengono in genere crittografati e quindi inviati attraverso cavi in ​​fibra ottica e altri canali insieme alle chiavi digitali necessarie per decodificare le informazioni. I dati e le chiavi vengono inviati come bit classici, un flusso di impulsi elettrici o ottici che rappresentano uno sabbia 0 S. E questo li rende vulnerabili. Gli hacker intelligenti possono leggere e copiare i bit in transito senza lasciare traccia.

La comunicazione quantistica sfrutta le leggi della fisica quantistica per proteggere i dati. Queste leggi consentono alle particelle, in genere fotoni di luce per la trasmissione di dati lungo i cavi ottici, di assumere uno stato di sovrapposizione, il che significa che possono rappresentare più combinazioni di uno e 0 contemporaneamente. Le particelle sono conosciute come bit quantistici o qubit.

La bellezza dei qubit dal punto di vista della sicurezza informatica è che se un hacker cerca di osservarli in transito, il loro stato quantico super fragile crolla in entrambi uno o 0 . Ciò significa che un hacker non può manomettere i qubit senza lasciare un segno rivelatore dell'attività.

Alcune aziende hanno sfruttato questa proprietà per creare reti per la trasmissione di dati altamente sensibili basate su un processo chiamato distribuzione della chiave quantistica o QKD. In teoria, almeno, queste reti sono ultra-sicure.

Che cos'è la distribuzione della chiave quantistica?

QKD prevede l'invio di dati crittografati come bit classici sulle reti, mentre le chiavi per decrittografare le informazioni vengono codificate e trasmesse in uno stato quantistico utilizzando qubit.

Vari approcci, o protocolli, sono stati sviluppati per implementare la QKD. Uno ampiamente utilizzato noto come BB84 funziona in questo modo. Immagina due persone, Alice e Bob. Alice vuole inviare i dati in modo sicuro a Bob. Per fare ciò, crea una chiave di crittografia sotto forma di qubit i cui stati di polarizzazione rappresentano i singoli valori di bit della chiave.

I qubit possono essere inviati a Bob tramite un cavo in fibra ottica. Confrontando le misurazioni dello stato di una frazione di questi qubit, un processo noto come key sifting, Alice e Bob possono stabilire che contengono la stessa chiave.

Mentre i qubit viaggiano verso la loro destinazione, il fragile stato quantistico di alcuni di essi crollerà a causa della decoerenza. Per tenere conto di ciò, Alice e Bob eseguono quindi un processo noto come distillazione della chiave, che consiste nel calcolare se il tasso di errore è sufficientemente alto da suggerire che un hacker ha tentato di intercettare la chiave.

Se lo è, abbandonano la chiave sospetta e continuano a generarne di nuove finché non sono sicuri di condividere una chiave sicura. Alice può quindi usare i suoi per crittografare i dati e inviarli in bit classici a Bob, che usa la sua chiave per decodificare le informazioni.

Stiamo già iniziando a vedere emergere più reti QKD. Il più lungo è in Cina, che vanta un collegamento terrestre di 2.032 chilometri (1.263 miglia) tra Pechino e Shanghai. Banche e altre società finanziarie lo stanno già utilizzando per trasmettere dati. Negli Stati Uniti, una startup chiamata Quantum Xchange ha raggiunto un accordo che le dà accesso a 500 miglia (805 chilometri) di cavo in fibra ottica che corre lungo la costa orientale per creare una rete QKD. La tappa iniziale collegherà Manhattan con il New Jersey, dove molte banche hanno grandi data center.

Sebbene QKD sia relativamente sicuro, sarebbe ancora più sicuro se potesse contare su ripetitori quantistici.

Cos'è un ripetitore quantistico?

I materiali nei cavi possono assorbire i fotoni, il che significa che in genere possono viaggiare per non più di poche decine di chilometri. In una rete classica, i ripetitori in vari punti lungo un cavo vengono utilizzati per amplificare il segnale per compensare questo.

Le reti QKD hanno escogitato una soluzione simile, creando nodi affidabili in vari punti. La rete Pechino-Shanghai ne ha 32, per esempio. In queste stazioni intermedie, le chiavi quantistiche vengono decifrate in bit e quindi ricrittografate in un nuovo stato quantistico per il loro viaggio verso il nodo successivo. Ma questo significa che non ci si può fidare dei nodi fidati: un hacker che ha violato la sicurezza dei nodi potrebbe copiare i bit senza essere rilevato e quindi acquisire una chiave, così come un'azienda o un governo che gestisce i nodi.

Idealmente, abbiamo bisogno di ripetitori quantistici o stazioni intermedie con processori quantistici che consentano alle chiavi di crittografia di rimanere in forma quantistica mentre vengono amplificate e inviate su lunghe distanze. I ricercatori hanno dimostrato che in linea di principio è possibile costruire tali ripetitori, ma non sono ancora stati in grado di produrre un prototipo funzionante.

C'è un altro problema con QKD. I dati sottostanti vengono ancora trasmessi come bit crittografati attraverso reti convenzionali. Ciò significa che un hacker che ha violato le difese di una rete potrebbe copiare i bit senza essere rilevato e quindi utilizzare computer potenti per tentare di decifrare la chiave utilizzata per crittografarli.

Gli algoritmi di crittografia più potenti sono piuttosto robusti, ma il rischio è abbastanza grande da spingere alcuni ricercatori a lavorare su un approccio alternativo noto come teletrasporto quantistico.

Cos'è il teletrasporto quantistico?

Può sembrare fantascienza, ma è un vero metodo che prevede la trasmissione di dati interamente in forma quantistica. L'approccio si basa su un fenomeno quantistico noto come entanglement.

Il teletrasporto quantistico funziona creando coppie di fotoni entangled e quindi inviando uno di ogni coppia al mittente dei dati e l'altro a un destinatario. Quando Alice riceve il suo fotone entangled, lo lascia interagire con un qubit di memoria che contiene i dati che vuole trasmettere a Bob. Questa interazione cambia lo stato del suo fotone e, poiché è intrecciato con quello di Bob, l'interazione cambia istantaneamente anche lo stato del suo fotone.

In effetti, questo teletrasporta i dati nel qubit di memoria di Alice dal suo fotone a quello di Bob. Il grafico seguente illustra il processo in modo un po' più dettagliato:

I ricercatori negli Stati Uniti, in Cina e in Europa stanno gareggiando per creare reti di teletrasporto in grado di distribuire fotoni entangled. Ma portarli a scalare sarà un'enorme sfida scientifica e ingegneristica. I molti ostacoli includono trovare modi affidabili per sfornare molti fotoni collegati su richiesta e mantenere il loro entanglement su distanze molto lunghe, qualcosa che i ripetitori quantistici renderebbero più facili.

Tuttavia, queste sfide non hanno impedito ai ricercatori di sognare una futura Internet quantistica.

Che cos'è un Internet quantistico?

Proprio come Internet tradizionale, questa sarebbe una rete di reti che si estende su tutto il mondo. La grande differenza è che le reti di comunicazione sottostanti sarebbero quelle quantistiche.

Non sostituirà Internet come lo conosciamo oggi. Foto di gatti, video musicali e una grande quantità di informazioni aziendali non sensibili continueranno a spostarsi sotto forma di bit classici. Ma una Internet quantistica si rivolge alle organizzazioni che hanno bisogno di proteggere i dati particolarmente preziosi. Potrebbe anche essere un modo ideale per connettere le informazioni che fluiscono tra i computer quantistici, che vengono sempre più resi disponibili attraverso il cloud computing.

La Cina è all'avanguardia nella spinta verso un Internet quantistico. Alcuni anni fa ha lanciato un satellite per comunicazioni quantistiche dedicato chiamato Micius e nel 2017 il satellite ha contribuito a mettere in scena la prima videoconferenza intercontinentale al mondo protetta da QKD, tra Pechino e Vienna. Una stazione di terra collega già il satellite alla rete terrestre Pechino-Shanghai. La Cina prevede di lanciare più satelliti quantistici e diverse città del paese stanno pianificando le reti QKD municipali.

Alcuni ricercatori hanno avvertito che anche una Internet completamente quantistica potrebbe alla fine diventare vulnerabile a nuovi attacchi che sono essi stessi basati sui quanti. Ma di fronte all'assalto degli hacker che affligge Internet di oggi, le aziende, i governi e le forze armate continueranno a esplorare la prospettiva allettante di un'alternativa quantistica più sicura.

nascondere