I ricercatori della DTU hanno distribuito con successo una chiave sicura quantistica utilizzando un metodo chiamato distribuzione delle chiavi quantistiche variabili continue (CV QKD). I ricercatori sono riusciti a far funzionare il metodo su una distanza record di 100 km, la distanza più lunga mai raggiunta utilizzando il metodo CV QKD. Il vantaggio del metodo è che può essere applicato all'infrastruttura Internet esistente.
I computer quantistici minacciano le crittografie esistenti basate su algoritmi, che attualmente proteggono i trasferimenti di dati da intercettazioni e sorveglianza. Non sono ancora abbastanza potenti da romperli, ma è questione di tempo. Se un computer quantistico riesce a individuare gli algoritmi più sicuri, lascia una porta aperta a tutti i dati connessi tramite Internet. Ciò ha accelerato lo sviluppo di un nuovo metodo di crittografia basato sui principi della fisica quantistica.
Ma per avere successo, i ricercatori devono superare una delle sfide della meccanica quantistica:garantire la coerenza su distanze più lunghe. La distribuzione di chiavi quantistiche variabili continue ha finora funzionato meglio su brevi distanze.
"Abbiamo ottenuto un'ampia gamma di miglioramenti, soprattutto per quanto riguarda la perdita di fotoni lungo il percorso. In questo esperimento, pubblicato su Science Advances , abbiamo distribuito in modo sicuro una chiave crittografata quantistica per 100 chilometri tramite cavo in fibra ottica. Si tratta di una distanza record con questo metodo", afferma Tobias Gehring, professore associato alla DTU, che, insieme a un gruppo di ricercatori della DTU, mira a poter distribuire informazioni crittografate quantistiche in tutto il mondo tramite Internet.
Quando i dati devono essere inviati da A a B, devono essere protetti. La crittografia combina i dati con una chiave sicura distribuita tra mittente e destinatario in modo che entrambi possano accedere ai dati. Una terza persona non deve essere in grado di riconoscere la chiave durante la trasmissione; in caso contrario, la crittografia verrà compromessa. Lo scambio di chiavi è quindi essenziale per crittografare i dati.
La distribuzione quantistica delle chiavi (QKD) è una tecnologia avanzata su cui i ricercatori stanno lavorando per scambi cruciali. La tecnologia garantisce lo scambio di chiavi crittografiche utilizzando la luce proveniente da particelle quantomeccaniche chiamate fotoni.
Quando un mittente invia informazioni codificate in fotoni, le proprietà quantomeccaniche dei fotoni vengono sfruttate per creare una chiave univoca per il mittente e il destinatario. I tentativi da parte di altri di misurare o osservare i fotoni in uno stato quantistico cambieranno istantaneamente il loro stato. Pertanto è fisicamente possibile misurare la luce solo disturbando il segnale.
"È impossibile fare una copia di uno stato quantico, come quando si fa una copia di un foglio A4:se ci provi, sarà una copia di qualità inferiore. Questo è ciò che garantisce che non sia possibile copiare la chiave. Questo può proteggere infrastrutture critiche come le cartelle cliniche e il settore finanziario vengano hackerate", spiega Gehring.
La tecnologia CV QKD può essere integrata nell'infrastruttura Internet esistente.
"Il vantaggio di utilizzare questa tecnologia è che possiamo costruire un sistema che assomiglia a quello su cui già si basa la comunicazione ottica."
La spina dorsale di Internet è la comunicazione ottica. Funziona inviando dati tramite luce infrarossa che scorre attraverso fibre ottiche. Funzionano come guide luminose inserite nei cavi, garantendo la possibilità di inviare dati in tutto il mondo. I dati possono essere inviati più velocemente e su distanze maggiori tramite cavi in fibra ottica e i segnali luminosi sono meno suscettibili alle interferenze, che in termini tecnici si chiama rumore.
"Si tratta di una tecnologia standard utilizzata da molto tempo. Pertanto, non è necessario inventare nulla di nuovo per poterla utilizzare per distribuire chiavi quantistiche e può rendere l'implementazione molto più economica. E possiamo operare a temperatura ambiente", spiega Gehring. "Ma la tecnologia CV QKD funziona meglio su distanze più brevi. Il nostro compito è aumentare la distanza. E i 100 chilometri sono un grande passo nella giusta direzione."
Rumore, errori e assistenza dal machine learning
I ricercatori sono riusciti ad aumentare la distanza affrontando tre fattori che limitano il loro sistema nello scambio di chiavi crittografate quantistiche su distanze più lunghe:
L’apprendimento automatico ha fornito misurazioni precedenti dei disturbi che colpiscono il sistema. Il rumore, come vengono chiamati questi disturbi, può derivare, ad esempio, dalla radiazione elettromagnetica, che può distorcere o distruggere gli stati quantistici trasmessi. Il rilevamento anticipato del rumore ha permesso di ridurre più efficacemente l'effetto corrispondente.
Inoltre, i ricercatori sono migliorati nel correggere gli errori che possono verificarsi lungo il percorso, che possono essere causati da rumore, interferenze o imperfezioni dell'hardware.
"Nel nostro prossimo lavoro, utilizzeremo la tecnologia per stabilire una rete di comunicazione sicura tra i ministeri danesi per proteggere le loro comunicazioni. Cercheremo anche di generare chiavi segrete tra, ad esempio, Copenaghen e Odense per consentire alle aziende con filiali in entrambe le città di stabilire una comunicazione quantistica sicura", afferma Gehring.
Il concetto QKD è stato sviluppato come concetto nel 1984 da Bennett e Brassard, mentre il fisico canadese e pioniere dell'informatica Artur Ekert e i suoi colleghi hanno effettuato la prima implementazione pratica della QKD nel 1992. Il loro contributo è stato cruciale per lo sviluppo dei moderni protocolli QKD, un insieme di regole, procedure o convenzioni che determinano come un dispositivo dovrebbe eseguire un'attività.
La QKD si basa su un'incertezza fondamentale nella copiatura dei fotoni in uno stato quantistico. I fotoni sono le particelle quantomeccaniche di cui è composta la luce.
I fotoni in uno stato quantistico comportano un'incertezza fondamentale, il che significa che non è possibile sapere con certezza se il fotone è uno o più fotoni raccolti in un determinato stato, detti anche fotoni coerenti. Ciò impedisce a un hacker di misurare il numero di fotoni, rendendo impossibile creare una copia esatta di uno stato.
Portano anche una casualità fondamentale perché i fotoni si trovano in più stati contemporaneamente, chiamati anche sovrapposizione. La sovrapposizione dei fotoni collassa in uno stato casuale quando avviene la misurazione. Ciò rende impossibile misurare con precisione in quale fase si trovano mentre sono in sovrapposizione.
Nel complesso, diventa quasi impossibile per un hacker copiare una chiave senza introdurre errori e il sistema saprà se un hacker sta tentando di entrare e potrà spegnersi immediatamente. In altre parole, diventa impossibile per un hacker prima rubare la chiave e poi evitare la chiusura della porta mentre cerca di inserire la chiave nella serratura.
CV QKD si concentra sulla misurazione delle proprietà uniformi degli stati quantistici nei fotoni. Può essere paragonato al trasmettere informazioni in un flusso di tutte le sfumature dei colori invece di trasmettere le informazioni passo dopo passo in ciascun colore.
Ulteriori informazioni: Adnan A. E. Hajomer et al, Distribuzione di chiavi quantistiche a variabile continua a lunga distanza su fibra di 100 km con oscillatore locale locale, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi9474
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dall'Università Tecnica della Danimarca
