La rete quantistica che collega la Cina all’Europa.

Lo scorso anno, la Cina ha dimostrato al mondo la fattibilità di un collegamento di rete sicuro (a grande distanza) che utilizza un sistema di crittografia quantistico. I risultati degli esperimenti, frutto della collaborazione tra l’Accademia delle Scienze cinese, l’Università di Vienna e l’Accademia delle Scienze austriaca, sono stati pubblicati a Gennaio di quest’anno su Physical Review Letters.

Dov’è la particolarità?

La trasmissione è stata effettuata utilizzando un protocollo di comunicazione sicuro basato sulle tecnologie quantistiche, e sull’utilizzo di connessioni in fibra ottica e satellitari.

Qual è il motivo alla base dello sviluppo di questo tipo di tecnologie di comunicazione sicura?

Tutti noi siamo ormai abituati a considerare abbastanza sicura la rete Internet da fare shopping online ed eseguire quotidianamente, con tranquillità, transazioni bancarie. Ma alla base di questa sicurezza vi sono tecniche crittografiche che sfruttano la complessità computazionale, che in un futuro non troppo lontano (quando avremo a disposizione dei computer quantistici affidabili) potranno essere violate con facilità (si stima in circa 100 secondi il tempo che sarà necessario per violare gli attuali protocolli di sicurezza). Ecco così che nasce la necessità di sfruttare le nuove tecnologie quantistiche per proteggere le nostre comunicazioni rendendole teoricamente inviolabili, grazie ai principi fondamentali della meccanica quantistica stessa.

Gli esperimenti del team cinese ed austriaco hanno dimostrato che è possibile eseguire la distribuzione di chiave quantistica (Quantum Key Distribution , QKD) a grande distanza, infatti sono riusciti a realizzarla tra più località sulla Terra separate da 7.600 km, come spiega Anton Zeilinger, a capo del team dell’Università di Vienna, e Jian-Wei Pan a capo del team dell’Accademia delle Scienze cinese.

La foto qui sotto ritrae la videoconferenza svoltasi, il 29 settembre 2017, tra l’Accademia delle Scienze cinese e quella austriaca, della durata di 75 minuti.

Conference at University of Science and Technology of China

Conference at University of Science and Technology of China

Come funziona una chiave quantistica?

Fondamentalmente la distribuzione a chiave quantistica è un’applicazione del cosiddetto principio di indeterminazione di Heisenberg, uno dei principi basilari della meccanica quantistica. Il principio di indeterminazione afferma che è impossibile conoscere con precisione lo stato quantistico di una particella, e, soprattutto, che la misurazione di quella particella fa perdere tutte le informazioni rilevanti relative al suo stato quantistico.

Questo principio risulta molto utile da utilizzare nell’ambito della crittografia. Un trasmettitore ed un ricevitore possono utilizzare lo stato quantistico di una particella per generare una chiave, che un computer tradizionale può utilizzare per crittografare le informazioni (un testo, un’immagine, un video, etc.) da inviare su una tipica connessione Internet, come quella che stai utilizzando per leggere questo articolo. La chiave crittografica quantistica, però, non viene inviata mediante la rete Internet, ma utilizzando una rete quantistica completamente separata.

Nel caso di Micius (il satellite cinese utilizzato nell’esperimento), questo si è tradotto in pratica nell’invio di fotoni, uno alla volta, attraverso l’atmosfera. Il ricevitore è in grado di leggere lo stato quantistico di questi fotoni ed ottenere la chiave quantistica da utilizzare per decodificare il messaggio “classico” inviato sulla rete Internet.

Se qualcuno dovesse tentare di intercettare il messaggio, lascerebbe segni inequivocabili del suo tentativo: nel mondo quantistico, ogni misura di un sistema, ogni tentativo di rilevazione, per quanto effettuato silenziosamente, modifica in maniera inevitabile lo stato del sistema.

Grazie all’esperimento congiunto del team cinese ed austriaco, ora, la chiave crittografica quantistica può viaggiare via satellite, ed essere utilizzata per criptare messaggi inviati tra città che sono distanti diverse migliaia di chilometri.

I ricercatori hanno criptato delle immagini utilizzando la chiave basata sullo stato quantistico dei fotoni, ed hanno inviato il messaggio su di un collegamento di 7.600 chilometri tra Pechino e Vienna, abbattendo il precedente record di 404 chilometri (realizzato sempre in Cina). Dopo questa dimostrazione, il 29 settembre 2017, come già raccontato sopra, gli stessi ricercatori hanno realizzato una videoconferenza di 75 minuti tra le due città, anch’essa criptata con la chiave quantistica.

Images Transmission University of China

Images Transmission University of China

Ad ogni modo, la connessione tra il satellite Micius e la Terra non è ancora perfettamente sicura. Il team cinese ed austriaco spiegano che i difetti riscontrati sono dovuti proprio al satellite. Il prossimo passo per rendere perfettamente sicura la comunicazione sarà quella di far produrre e distribuire le chiavi quantistiche direttamente dai satelliti mediante fotoni in entanglement (in questo modo, i satelliti non saranno mai in grado di leggere le chiavi quantistiche).

I ricercatori hanno quindi in programma il lancio di molti satelliti quantistici, in orbite più ‘ elevate, che saranno in grado di comunicare tra di loro e con le stazioni a Terra in una rete molto più complessa di quella realizzata fino ad ora con l’esperimento del 2017.

L’obiettivo è, ovviamente, quello di realizzare una rete quantistica globale che possa offrire un servizio di comunicazioni sicure disponibile per tutti gli utenti mondiali.

University of Science and Technology of China

University of Science and Technology of China