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Internet pullula di informazioni altamente sensibili. In genere, sofisticate tecniche di crittografia garantiscono che tali contenuti non possano essere intercettati e letti. Ma in futuro computer quantistici ad alte prestazioni potrebbero decifrare queste chiavi in pochi secondi. È altrettanto positivo, quindi, che le tecniche di meccanica quantistica non solo consentano nuovi algoritmi molto più veloci, ma anche una crittografia estremamente efficace.
La distribuzione quantistica delle chiavi (QKD), come dice il gergo, è sicura contro gli attacchi al canale di comunicazione, ma non contro gli attacchi o le manipolazioni dei dispositivi stessi. I dispositivi potrebbero quindi produrre una chiave che il produttore aveva precedentemente salvato e che avrebbe potuto plausibilmente inoltrare a un hacker. Con QKD indipendente dal dispositivo (abbreviato in DIQKD), è una storia diversa. In questo caso, il protocollo crittografico è indipendente dal dispositivo utilizzato. Teoricamente noto sin dagli anni '90, questo metodo è stato ora realizzato sperimentalmente per la prima volta da un gruppo di ricerca internazionale guidato dal fisico LMU Harald Weinfurter e Charles Lim della National University of Singapore (NUS).
Per lo scambio di chiavi della meccanica quantistica, sono disponibili diversi approcci. O i segnali luminosi vengono inviati dal trasmettitore al ricevitore o vengono utilizzati sistemi quantistici entangled. Nel presente esperimento, i fisici hanno utilizzato due atomi di rubidio intrecciati meccanicamente quantisticamente, situati in due laboratori situati a 400 metri l'uno dall'altro nel campus della LMU. Le due sedi sono collegate tramite un cavo in fibra ottica lungo 700 metri, che corre sotto la piazza Geschwister Scholl, di fronte all'edificio principale.
Per creare un entanglement, prima gli scienziati eccitano ciascuno degli atomi con un impulso laser. Dopo questo, gli atomi ricadono spontaneamente nel loro stato fondamentale, ciascuno emettendo così un fotone. A causa della conservazione del momento angolare, lo spin dell'atomo è intrecciato con la polarizzazione del suo fotone emesso. Le due particelle di luce viaggiano lungo il cavo in fibra ottica fino a una stazione ricevente, dove una misurazione congiunta dei fotoni indica un entanglement delle memorie quantistiche atomiche.
Per scambiare una chiave, Alice e Bob, come le due parti sono solitamente soprannominate dai crittografi, misurano gli stati quantistici del rispettivo atomo. In ogni caso, questo viene fatto casualmente in due o quattro direzioni. Se le direzioni corrispondono, i risultati della misurazione sono identici a causa dell'entanglement e possono essere utilizzati per generare una chiave segreta. Con gli altri risultati di misurazione è possibile valutare una cosiddetta disuguaglianza di Bell. Il fisico John Stewart Bell ha originariamente sviluppato queste disuguaglianze per verificare se la natura può essere descritta con variabili nascoste. "Si è scoperto che non può", afferma Weinfurter. In DIQKD, il test viene utilizzato "specificamente per garantire che non vi siano manipolazioni sui dispositivi, vale a dire, ad esempio, che i risultati di misurazione nascosti non siano stati salvati in anticipo nei dispositivi", spiega Weinfurter.
Contrariamente agli approcci precedenti, il protocollo implementato, sviluppato dai ricercatori del NUS, utilizza due impostazioni di misurazione per la generazione delle chiavi invece di una:"Introducendo l'impostazione aggiuntiva per la generazione delle chiavi, diventa più difficile intercettare le informazioni e quindi il il protocollo può tollerare più rumore e generare chiavi segrete anche per stati entangled di qualità inferiore", afferma Charles Lim.
Con i metodi QKD convenzionali, invece, la sicurezza è garantita solo quando i dispositivi quantistici utilizzati sono stati caratterizzati sufficientemente bene. "E così, gli utenti di tali protocolli devono fare affidamento sulle specifiche fornite dai fornitori di QKD e confidare che il dispositivo non passerà a un'altra modalità operativa durante la distribuzione delle chiavi", spiega Tim van Leent, uno dei quattro autori principali del carta insieme a Wei Zhang e Kai Redeker. È noto da almeno un decennio che i vecchi dispositivi QKD possono essere facilmente violati dall'esterno, continua van Leent.
"Con il nostro metodo, ora possiamo generare chiavi segrete con dispositivi non caratterizzati e potenzialmente inaffidabili", spiega Weinfurter. In effetti, inizialmente aveva i suoi dubbi sul fatto che l'esperimento avrebbe funzionato. Ma il suo team ha dimostrato che i suoi dubbi erano infondati e ha migliorato significativamente la qualità dell'esperimento, come ammette felicemente. Parallelamente al progetto di cooperazione tra LMU e NUS, un altro gruppo di ricerca dell'Università di Oxford ha dimostrato la distribuzione delle chiavi indipendente dal dispositivo. Per fare ciò, i ricercatori hanno utilizzato un sistema comprendente due ioni entangled nello stesso laboratorio. "Questi due progetti gettano le basi per le future reti quantistiche, in cui è possibile una comunicazione assolutamente sicura tra luoghi molto distanti", afferma Charles Lim.
Uno dei prossimi obiettivi è espandere il sistema per incorporare diverse coppie di atomi entangled. "Ciò consentirebbe di generare molti più stati di entanglement, aumentando la velocità dei dati e, in definitiva, la sicurezza chiave", afferma van Leent. Inoltre, i ricercatori vorrebbero aumentare la gamma. Nella configurazione attuale, era limitato dalla perdita di circa la metà dei fotoni nella fibra tra i laboratori. In altri esperimenti, i ricercatori sono stati in grado di trasformare la lunghezza d'onda dei fotoni in una regione a bassa perdita adatta per le telecomunicazioni. In questo modo, con solo un piccolo rumore in più, sono riusciti ad aumentare la portata della connessione di rete quantistica a 33 chilometri.
La ricerca è stata pubblicata su Natura . + Esplora ulteriormente
