Il più grande network a chiave quantistica di sempre è ufficialmente online
La Cina spalanca le porte ad un futuro basato sulla crittografia quantistica satellitare.
La Cina ha la tecnologia quantistica per criptare perfettamente importanti segnali su distanze molto più vaste di quanto non abbia mai fatto nessuno, in Europa e Asia, secondo una nuova e sbalorditiva lettera dei ricercatori.
Pezzi di informazione, o segnali, passano attraverso le case delle persone, nel cielo più profondo, e attraverso la pelle dei corpi umani ogni secondo di ogni giorno. Sono segnali televisivi e radio, nonché telefonate private e file di dati. Alcuni di questi segnali sono pubblici, ma la maggior parte sono privati — criptati con lunghe stringhe di numeri noti (presumibilmente) solo ai mittenti e riceventi. Questa criptazione è abbastanza potente da mantenere i segreti della società moderna: messaggi piccanti, numeri di conto corrente bancario e le password per nascondere i database. Ma è fragile. Una persona sufficientemente determinata, con un computer sufficientemente potente, potrebbe romperla.
“Storicamente, ogni progresso nella crittografia è stato sconfitto dai progressi nella tecnologia di cracking”
Afferma in una e-mail Jian-Wei Pan, un ricercatore presso l’Università di Scienza e Tecnologia della Cina e autore della nuova lettera. “La diffusione di chiavi quantistiche chiude questa battaglia.”
Le chiavi quantistiche sono lunghe stringhe di numeri — chiavi per aprire file crittografati proprio come quelle utilizzate nei computer moderni — ma sono codificate tramite lo stato fisico delle particelle quantistiche. Ciò significa che sono protetti non solo dai limiti del computer, ma anche dalle leggi della fisica.
Le chiavi quantistiche non possono essere copiate. Possono crittografare le trasmissioni tra computer classici. E nessuno può rubarle senza che il mittente o il destinatario se ne accorgano — una legge della meccanica quantistica afferma che, una volta osservata una particella subatomica, il suo stato viene alterato.
E ora, secondo un nuovo articolo pubblicata il 19 gennaio nella rivista Physical Review Letters, le chiavi quantistiche possono viaggiare via satellite, crittografando i messaggi inviati tra città a migliaia di chilometri di distanza.
I ricercatori hanno criptato quantisticamente delle immagini codificandole come stringhe di numeri basate sugli stati quantistici dei fotoni, e le hanno inviate attraverso distanze fino a 4.722 miglia (7.600 km) tra Pechino e Vienna — infrangendo il precedente record di 251 miglia (404 km), anch’esso ottenuto dalla Cina. Inoltre, il 29 settembre 2017, si è tenuta una videoconferenza di 75 minuti tra i ricercatori delle due città, anch’essa criptata tramite chiavi quantistiche. (Questa videoconferenza era stata annunciata in precedenza, ma i dettagli completi dell’esperimento sono stati riportati in questa nuova lettera di ricerca).
Il satellite
Questa trasmissione quantistica a lunga distanza è l’ennesima conquista del satellite cinese Micius, responsabile dello smantellamento di una serie di record di creazione di reti quantistiche nel 2017. Micius è un potente rivelatore e trasmettitore di fotoni. Lanciato nella bassa orbita terrestre nel 2016, utilizza i suoi laser e rivelatori di precisione per inviare e ricevere pacchetti di informazioni quantistiche — fondamentalmente, informazioni sullo stato quantico di un fotone — in vasti spazi e atmosfere.
“Micius è la stella più luminosa del cielo quando passa sopra la stazione,” ha detto Pan. “La stella è verde come il laser che emette (che Micius usa per indirizzare i fotoni al suolo). Se c’è polvere nell’aria,si può (anche) vedere una linea luminosa rossa che punta verso il satellite. Nessun segnale proviene dallo spazio. Forse ce ne sono alcuni, ma sono semplicemente generati dal movimento della stazione a terra”.
Quasi ogni volta che Micius fa qualcosa, distrugge d’improvviso i record precedenti. Questo perché le reti quantistiche precedenti hanno fatto affidamento sul trasferimento di fotoni a terra, utilizzando l’aria tra edifici o cavi in fibra ottica. E ci sono dei limiti alla linea visiva a terra, o a quanto lontano un cavo in fibra ottica può trasferire un fotone senza perderlo.
Nel giugno 2017, i ricercatori di Micius avevano annunciato di aver inviato due fotoni “entangled” alle stazioni terrestri distanti 745 miglia (1.200 km). (Quando una coppia di fotoni è entangled, essi si influenzano a vicenda anche se separati da grandi distanze). Solo un mese dopo, in luglio, avrebbero teletrasportato in orbita un pacchetto di informazioni quantistiche a 870 miglia (1.400 km) dal Tibet, il che significa che lo stato quantico di una particella era stato teletrasportato direttamente da una particella sulla terra ad una sua gemella nello spazio. Entrambi questi risultati sono stati importanti passi avanti sulla strada verso le reti criptate con chiavi quantistiche del mondo reale.
La nuova lettera di ricerca annuncia ora che la teoria è stata messa in pratica.
Micius dapprima ha criptato due foto, una piccola immagine dello stesso satellite Micius, poi una foto del fisico quantistico Erwin Schrödinger. Poi ha cifrato la videoconferenza di settembre. Su questo tipo di distanza non è mai stato raggiunto alcun analogo in ambito di distribuzione con chiavi quantistiche. Pan dice che Micius è pronto per crittografare informazioni più importanti.
Come funziona una chiave quantistica?
La distribuzione di chiavi quantistiche è essenzialmente un’applicazione fantasiosa del cosiddetto principio di indeterminazione di Heisenberg, uno dei principi fondanti della meccanica quantistica. Il principio afferma che è impossibile conoscere appieno lo stato quantistico di una particella — e, soprattutto, che osservando una parte di tale stato, l’osservatore elimina per sempre le altre informazioni riguardanti altri stati della particella.
Questo principio si rivela molto utile per la codifica delle informazioni. Come ha scritto il crittografo belga Gilles Van Assche nel suo libro del 2006 “Quantum Cryptography and Secret-Key Distillation”, un mittente e un ricevitore possono usare gli stati quantici delle particelle per generare stringhe di numeri.
Un computer può quindi utilizzare queste stringhe per crittografare informazioni, come un video o un testo, che possono essere trasmesse tramite un tradizionale collegamento, come la connessione internet che si sta utilizzando per leggere questo articolo. Ma non invia la chiave di crittografia tramite la stessa rete. Invece, invia queste particelle attraverso una rete quantistica separata, scrive Van Assche.
Nel caso di Micius, ciò significa inviare fotoni, uno alla volta, attraverso l’atmosfera. Il ricevitore può quindi leggere gli stati quantici di quei fotoni per determinare la chiave quantistica e usarla per decrittografare il messaggio classico.
Se qualcun altro cercasse di intercettare quel messaggio, però, ciò lascerebbe un segno — si potrebbero avere pacchetti di informazioni mancanti al destinatario che il mittente, però, aveva inviato .
Naturalmente, nessuna rete è perfetta, soprattutto quelle basate sulle riprese di singole foto in chilometri di spazio. Come hanno scritto i ricercatori del Micius, le reti normalmente perdono l’1 o il 2 per cento delle loro chiavi in un giorno sereno. Ma questo rappresenta un aspetto sul quale Micius e la stazione base possono lavorare insieme per la ri-elaborazione delle chiavi perse, utilizzando una matematica molto elegante.
Anche se un aggressore intercettasse e distruggesse una parte molto più grande della trasmissione, la parte della chiave non catturata sarebbe ancora utilizzabile— più breve, ma ancora perfettamente sicura da poter crittografare le trasmissioni.
Il collegamento tra Micius e la Terra non è ancora perfettamente sicuro. Tuttavia, come ha scritto il team di autori cinesi e austriaci, il difetto nella progettazione della rete è il satellite stesso. In questo momento, le stazioni base di ogni città collegata ricevono diverse chiavi quantistiche dal satellite, che vengono moltiplicate insieme e poi distribuite.
Questo sistema funziona bene, fintanto che i comunicatori confidano nel fatto che nessuna squadra segreta di astronauti nefasti possa essere in grado di violare Micius stesso per leggere la chiave quantistica alla fonte. Il passo successivo verso una sicurezza veramente perfetta, hanno scritto, è distribuire le chiavi quantistiche dai satelliti attraverso fotoni entangled — chiavi che i satelliti sarebbero in grado di produrre e distribuire, ma mai di leggere.
Nel tempo, hanno scritto i ricercatori, progettano di lanciare più satelliti quantistici in orbite più alte — satelliti che comunicheranno tra loro e con i ricercatori sulla Terra in reti sempre più complesse.
Questa rete quantistica a lenta diffusione, sempre più pratica, sarà dapprima costruita per la Cina e l’Europa, hanno scritto, “e poi su scala globale”.
Tradotto in Italiano. Articolo originale: LiveScience
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