I ricercatori dell'ETH Zürich e della National University of Singapore hanno condotto uno studio per indagare se la distillazione vantaggiosa, una tecnica di crittografia classica che finora non è mai stata implementata con successo, può essere applicato a sistemi di distribuzione di chiavi quantistiche (DIQKD) indipendenti dal dispositivo con l'obiettivo di creare una chiave segreta per la comunicazione tra diverse parti. Il termine DIQKD descrive una nuova forma di crittografia quantistica che consente agli utenti onesti di certificare la sicurezza delle informazioni utilizzando solo le statistiche di misurazione osservate.

Ciò significa che la sicurezza si basa sul rilevamento della non località quantistica, che garantisce che nessun'altra parte, a parte gli utenti onesti, può essere correlato alla chiave generata. protocolli DIQKD, che si basano sulle leggi della fisica quantistica, sono un adattamento dei più tradizionali approcci di distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD).

L'obiettivo principale degli approcci QKD convenzionali è estrarre una chiave dalle correlazioni ottenute misurando una serie di sistemi quantistici. protocolli DIQKD, d'altra parte, si basano su osservazioni passate che suggeriscono che quando queste correlazioni violano una disuguaglianza di Bell, una chiave sicura può essere estratta anche se i dispositivi dei diversi utenti non sono completamente caratterizzati.

In altre parole, quando si valuta la sicurezza dei protocolli DIQKD, gli utenti non devono presumere che i dispositivi di comunicazione funzionino secondo le loro specifiche. Questo è in netto contrasto con la dipendenza dal dispositivo osservata nei tradizionali protocolli QKD, che tipicamente presuppongono che i dispositivi connessi stiano implementando una gamma specifica di operazioni quantistiche.

Questa caratteristica unica di DIQKD può migliorare significativamente la sicurezza delle comunicazioni e degli scambi di dati, in quanto rimane sicuro anche se un utente malintenzionato riesce a influenzare il comportamento dei dispositivi degli utenti. Questa maggiore sicurezza, però, è spesso accompagnato da un limite cruciale:per ottenere tassi di chiavi positivi, I protocolli DIQKD richiedono bassi livelli di rumore. Nella loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , Ernest Tan, Charles Lim e Renato Renner hanno cercato di superare questa limitazione utilizzando una tecnica di crittografia nota come "distillazione vantaggiosa".

"Negli anni '90, i crittografi classici hanno avanzato la proposta di generare chiavi crittografiche dalla radiazione cosmica di fondo, " Renner ha detto a Phys.org. "L'idea era che la radiazione potesse essere misurata ovunque, quindi due partiti, dire Alice e Bob, che vorrebbe comunicare di nascosto, può ascoltare la radiazione e da essa generare una chiave comune, che potrebbero quindi utilizzare per crittografare il loro canale di comunicazione. Il problema (ovvio) è Certo, che un avversario, Vigilia, può ascoltare la stessa radiazione, e quindi dedurre anche la stessa chiave, quindi non sarebbe un segreto."

Per impedire a terzi di accedere a una comunicazione privata tra due persone, i crittografi introdussero una tecnica nota come distillazione vantaggiosa. Questa tecnica consente a due persone che stanno comunicando (ad es. Alice e Bob) per identificare i segmenti della radiazione cosmica di fondo in cui hanno un vantaggio su una parte intrusa (ad esempio Eve).

Ciò significa che in queste parti particolari di radiazioni, I segnali misurati di Alice sono correlati più fortemente a quelli di Bob che a quelli di Eve. Come conseguenza, queste parti possono essere utilizzate per generare una chiave segreta a cui Eve non può accedere.

"Mentre questa idea sembrava promettente, non è mai arrivato ad applicazioni pratiche, " Ha detto Renner. "La ragione di ciò è che le ipotesi che devono essere fatte sulla radiazione si sono rivelate irrealistiche".

DIQKD e lo scenario originariamente considerato per la distillazione vantaggiosa condividono diverse somiglianze. In DIQKD, però, la radiazione è sostituita da un segnale costituito da coppie di particelle entangled, distribuito da una fonte non attendibile, che può anche essere controllato dal terzo, parte intrusa. Sulla base di questa somiglianza, i ricercatori hanno deciso di esplorare se l'idea della distillazione vantaggiosa è effettivamente applicabile a DIQKD e se può migliorare la sua tolleranza al rumore.

"Una sfida principale in DIQKD è che non si sa quasi nulla delle informazioni che l'avversario Eva potrebbe aver raccolto, " Renner ha spiegato. "In linea di principio, quell'informazione potrebbe anche consistere di infiniti qubit. Abbiamo quindi dovuto utilizzare e sviluppare ulteriormente tecniche teoriche dell'informazione che ci permettessero di caratterizzare tali informazioni non strutturate".

Utilizzando le tecniche sviluppate, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che la distillazione vantaggiosa è possibile anche in ambienti di crittografia estremi, come in DIQKD. Hanno scoperto che il loro metodo consente di migliorare le soglie di tolleranza al rumore oltre i valori precedentemente noti, che dovrebbe rendere più facile ottenere una dimostrazione sperimentale di DIQKD.

"Il Santo Graal nella comunità della crittografia quantistica è avere una dimostrazione sperimentale pienamente funzionante e sicura di DIQKD, "Renner ha detto. "Questo, però, sembra essere molto impegnativo, e richiede uno sforzo congiunto di ricercatori sperimentali e teorici."

Attualmente, diversi fisici stanno cercando di migliorare i sistemi DIQKD esistenti:sperimentali riducendo il rumore nei dispositivi di comunicazione e teorici sviluppando protocolli meno esigenti in termini di tolleranza al rumore. Lo studio condotto da Tan, Lim e Renner, che rientra in quest'ultima categoria, potrebbe infine aprire la strada allo sviluppo di nuovi framework DIQKD che siano sia sicuri che pienamente efficaci.

"Il nostro lavoro mostra che la distillazione vantaggiosa può migliorare la tolleranza al rumore di DIQKD, "Renner ha detto. "Tuttavia, la nostra analisi è molto probabilmente abbastanza lontana dall'ottimale, poiché alcuni dei metodi (molto potenti) della teoria dell'informazione quantistica non erano utilizzabili nell'impostazione DI. Ciò significa che ora dobbiamo esplorare se le tecniche che abbiamo usato possono essere generalizzate".

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