La scoperta della meccanica quantistica ha aperto la porta a modi fondamentalmente nuovi di comunicare, elaborare e proteggere i dati. Con una rivoluzione quantistica ben avviata, opportunità a lungo inimmaginabili stanno diventando alla nostra portata.
Dalle domande fondamentali su come funziona l'universo alla comunicazione sicura:è la meccanica quantistica a contenere le soluzioni del nostro futuro. Il professor Artur Ekert, pioniere nel campo e padre della crittografia quantistica, è professore aggiunto e capo dell'Unità di sicurezza delle informazioni quantistiche dell'OIST dall'aprile 2021. Il professor Ekert, che ora può soggiornare più frequentemente all'OIST dopo la pandemia, è stato intervistato.
Con un background in matematica applicata, non aveva intenzione di lavorare in fisica finché non si è imbattuto in "The Feynman Lectures on Physics" in una biblioteca:"L'ho letto e ne sono rimasto completamente affascinato!" dice il prof. Ekert. Con questa passione ritrovata, ha iniziato a lavorare per il suo dottorato di ricerca. all'Università di Oxford, dove ha incontrato anche il suo mentore David Deutsch, il pioniere della computazione quantistica. Allo stesso tempo, si imbatté in un altro articolo influente sull'entanglement quantistico, scritto dal famoso fisico Alain Aspect.
"Sono rimasto profondamente colpito:l'articolo ha dimostrato che la meccanica quantistica è intrinsecamente imprevedibile. Questo è stato il mio punto di partenza quando ho capito che poteva essere utilizzata per comunicazioni sicure", afferma il prof. Ekert. Ma prima di questi esperimenti rivoluzionari di Aspect e colleghi, c'era un acceso dibattito sulla questione se gli esperimenti di meccanica quantistica fossero intrinsecamente imprevedibili o meno.
Sebbene fosse possibile ottenere previsioni statistiche sui risultati di questi esperimenti, affermazioni determinate rimanevano sempre fuori portata. "Ora la domanda era:abbiamo a che fare con la vera casualità nella meccanica quantistica o semplicemente con la nostra incapacità di prevedere i risultati abbastanza bene?" spiega il prof. Ekert. Si è scoperto che la risposta a questa domanda conteneva anche la chiave per lo sviluppo della crittografia quantistica.
Gli eventi casuali possono essere classificati in due tipi diversi, che gli scienziati chiamano casualità oggettiva e soggettiva. "Ad esempio, qualcosa potrebbe sembrare casuale a te ma non a me perché ho più informazioni che mi permettono di comprendere e prevedere l'evento. Se non hai accesso a queste informazioni aggiuntive, l'evento ti apparirà casuale:questo è ciò che chiamiamo casualità soggettiva," spiega il Prof. Ekert.
Sorprendentemente, l'esempio classico del lancio di una moneta appartiene alla categoria della casualità soggettiva. Con una conoscenza sufficiente delle condizioni iniziali, del movimento e della struttura delle monete, della circolazione dell'aria nella stanza e altro ancora, il risultato di qualsiasi lancio di una moneta diventerebbe perfettamente prevedibile. "D'altra parte, la casualità oggettiva è un evento di cui non è possibile prevedere il risultato anche se si sapesse assolutamente tutto al riguardo", afferma il prof. Ekert.
Se la fisica quantistica contenga elementi di questa casualità oggettiva è stato dibattuto tra gli scienziati nel 20° secolo e ha suscitato una notevole opposizione da parte di Albert Einstein.
"Pensava che non possiamo prevedere i risultati degli esperimenti di meccanica quantistica perché ci mancano le informazioni, non perché siano intrinsecamente imprevedibili", afferma il prof. Ekert. Se ciò fosse corretto e le informazioni mancanti potessero essere identificate, il risultato degli esperimenti di meccanica quantistica sarebbe dovuto diventare prevedibile. "Ha chiamato queste informazioni mancanti variabili nascoste", spiega il Prof. Ekert.
Questo dibattito teorico durò circa 30 anni, finché lo scienziato John Bell non fornì un'ipotesi verificabile, ora chiamata anche disuguaglianza di Bell. Questo test, tra gli altri usi, ha permesso di rispondere alla domanda se gli eventi quantistici sono veramente casuali o meno.
Ecco come funziona in poche parole; durante un opportuno esperimento utilizzando fotoni entangled viene misurato un parametro specifico. Se questo parametro è al di fuori dell'intervallo previsto, supporta che gli eventi a livello quantistico hanno una componente oggettivamente casuale, ma se rientra nell'intervallo previsto, allora le obiezioni di Einstein sono corrette e ci sono variabili nascoste.
"Il problema era che quando Bell pubblicò il suo lavoro, non era ancora possibile eseguire questi esperimenti altamente complicati", afferma il prof. Ekert. Con i mezzi matematici ma non tecnici per eseguire il test, il dibattito rimase senza risposta per un altro decennio. Fino agli anni '70, quando questi esperimenti divennero finalmente possibili, John Clauser fu tra i primi a eseguirli.
"Quando fa questi primi esperimenti, osserva una violazione della disuguaglianza di Bell che supporta il fatto che la natura alla base è casuale", afferma il prof. Ekert.
Ma con la tecnologia ancora limitata dell’epoca, questa scoperta entusiasmante rimase inizialmente preliminare. La certezza in merito, infatti, si è avuta solo alla fine degli anni '90. Tra gli altri, è stato il lavoro rivoluzionario di Alain Aspect, Nicolas Gisin, Ronald Hanson, Jianwei Pan e Anton Zeilinger, sulla natura dell’entanglement quantistico e sulle disuguaglianze di Bell, a confermare definitivamente il funzionamento fondamentale della meccanica quantistica, dimostrando che esiste vera casualità negli eventi quantistici.
Nel 2022 Aspect, Clauser e Zeilinger hanno condiviso un premio Nobel per i loro sforzi sperimentali pionieristici.
Dopo aver appreso tutto questo mentre lavorava al suo dottorato di ricerca, il Prof. Ekert si è reso conto che la casualità può essere utilizzata per creare un modo per sviluppare una crittografia indistruttibile. Prima che le comunicazioni sicure diventassero quantistiche, la crittografia aveva già reso possibile la trasmissione di informazioni in modo sicuro, ad eccezione di un errore cruciale.
"Immaginiamo che tu voglia trasmettere informazioni in modo sicuro a un'altra persona. In tal caso, entrambi avete bisogno di qualcosa chiamata chiave crittografica, che è una sequenza completamente casuale di uno e zero. Questa chiave deve essere mantenuta rigorosamente segreta!" dice il prof. Ekert. Sebbene la chiave sia casuale e quindi priva di significato, consentirà successivamente al suo possessore di decodificare il messaggio inviato.
Ma questo metodo tradizionale di crittografia presenta un grosso ostacolo alla sicurezza:mantenere segreta la chiave. Se l'accesso dovesse avvenire senza autorizzazione, tutti i messaggi inviati potrebbero essere decodificati e come si potrebbe mai avere la certezza assoluta che nessuno abbia avuto accesso alle chiavi segrete?
Normalmente, questo problema veniva risolto utilizzando linee protette per la comunicazione e attraverso il lavoro di specialisti di sicurezza informatica che implementavano varie funzionalità di sicurezza per proteggere le chiavi di crittografia.
"Ma vedete, anche con la migliore sicurezza in atto, non si potrebbe mai essere sicuri al 100% che nessuno abbia avuto accesso", sottolinea il prof. Ekert.
Tutto ciò cambiò quando gli esperimenti sulla disuguaglianza di Bell dimostrarono che la meccanica quantistica ha una componente intrinsecamente casuale. "Una soluzione è utilizzare le chiavi quantistiche. Queste vengono generate utilizzando fotoni entangled", spiega il prof. Ekert.
Questo metodo di generazione di una chiave crittografica consente di verificare se qualcuno ha avuto accesso non autorizzato utilizzando il teorema di Bell. "Se la tua chiave viola le disuguaglianze di Bell, puoi essere sicuro che nessuno ha avuto accesso alla tua chiave", afferma il prof. Ekert. In questo modo aveva scoperto un modo del tutto nuovo di proteggere le comunicazioni:la crittografia quantistica.
Questo metodo di crittografia è ora più importante che mai, poiché i progressi nello sviluppo dei computer quantistici renderanno la crittografia classica meno sicura, un problema per i dati sensibili, ad esempio nel settore medico o finanziario. In questo caso la crittografia quantistica offre un modo per garantire la protezione, ma probabilmente non diventerà lo standard per tutte le comunicazioni.
"La crittografia quantistica non sostituirà completamente i metodi classici, perché non sempre è necessaria una sicurezza perfetta. Non tutte le auto devono essere conformi agli standard della Formula 1:lo stesso vale per la crittografia", afferma il prof. Ekert.
Tuttavia, lo sviluppo di moderne strategie di sicurezza informatica che tengano il passo con il complesso mondo tecnologico di oggi rappresenta una sfida fondamentale sia per la scienza che per la società, nonché uno dei motivi che hanno portato il prof. Ekert all'OIST.
"Sono qui per contribuire a creare una vivace comunità di sicurezza quantistica e informatica a Okinawa e voglio anche aiutare a istruire le persone sulla sicurezza informatica e a migliorare la protezione dei dati", afferma il prof. Ekert.
Un secondo focus sarà la sua ricerca sul concetto di casualità, per il quale l'OIST offre le condizioni ideali. "Apprezzo l'ambiente piacevole e tranquillo di Okinawa", sottolinea il prof. Ekert. Mentre è ormai un dato di fatto che la casualità oggettiva gioca un ruolo nella meccanica quantistica, la ricerca del Prof. Ekert qui all'OIST affronta una domanda forse relativamente fondamentale sulla natura del nostro universo:"Sono interessato al motivo per cui le cose sono casuali", dice.
Fornito dall'Okinawa Institute of Science and Technology
