Fig. 1 Sending light with large alphabet encoding. Credit: University of Twente

Introduzione

Con il costante progresso dei computer quantistici, non si può più escludere che questi diventino così potenti al punto da poter violare la crittografia esistente. A tal uopo i ricercatori dell’Università di Twente hanno trovato un nuovo modo per proteggere i dati da questi possibili attacchi. Singole particelle di luce vengono già utilizzate per proteggere i dati, ma la trasmissione di un bit per fotone è lenta. Pepijn Pinkse ha condotto un’esperimento per aumentare la velocità di trasmissione fino a sette bit per fotone. Lo studio è stato pubblicato il 18 dicembre 2019 sul New Journal of Physics.

Supremazia quantistica

I computer usano la crittografia per proteggere le loro comunicazioni. Ad esempio, la comunicazione tra il telefono e la banca per trasferire alcuni fondi deve essere sicura per impedire ai criminali di alterare il messaggio e dire alla banca di trasferire denaro su un altro conto bancario. Un computer quantistico potrebbe, in teoria, infrangere la crittografia esistente. Ma recentemente, la dimostrazione che un computer quantistico può fare qualsiasi cosa che un computer classico veloce non può fare, è stata eccezionale. Questo punto raggiunto, viene chiamato “supremazia quantistica“.

Recentemente, Google ha rivendicato su Nature una prova sperimentale di questa “supremazia quantistica”, sebbene con un calcolo che non ha alcun uso pratico. Tuttavia, non possiamo più escludere la possibilità che i computer quantistici diventino così potenti da rompere la crittografia esistente, dal momento che esistono algoritmi quantistici noti che rompono i metodi crittografici oggi più utilizzati. 

Fortunatamente, anche la tecnologia quantistica offre soluzioni. Con Quantum Key Distribution (QKD) è possibile creare, in modo sicuro, chiavi segrete tra un mittente e un destinatario. Questa non è fantascienza. I sistemi commerciali QKD sono disponibili da diversi fornitori e le versioni spaziali ne sono già implementate.

Ampliare gli alfabeti quantistici

I sistemi QKD standard utilizzano singole particelle di luce, i fotoni, che si trovano in uno dei due stati possibili, ad esempio polarizzati orizzontalmente o verticalmente. Ciò limita la trasmissione a un bit per fotone. In un certo senso, i fotoni sono codificati in un alfabeto di sole due lettere: a e b.

I ricercatori dell’UT ora hanno aumentato questo numero con più di mille lettere. Ciò aumenta la resistenza al rumore e potenzialmente aumenta la velocità dei dati. Hanno raggiunto questo obiettivo codificando le informazioni quantistiche in 1024 possibili posizioni dei fotoni usati. Per rendere difficile, ad un utente malintenzionato, di vedere cosa è stato inviato, cambiano casualmente la codifica tra due diversi alfabeti.

Parlare olandese in una sala conferenze cinese

Pepijn Pinkse, che ha guidato l’esperimento, spiega: “È come provare a indovinare cosa si parla in due sale conferenze. In una stanza la lingua della conferenza è il cinese e nell’altro olandese, ma non la si sa prima di entrare. Se un olandese sceglie la stanza cinese, non capisce nulla, anche se per un cinese le lezioni sono cristalline. Nel nostro metodo, il mittente utilizza due lingue e passa da una all’altra in modo casuale. Inoltre, il ricevitore passa dall’ascolto in una lingua o all’altra. Solo se le lingue coincidono, vengono trasmessi bit utili. L’ascolto di entrambe le lingue allo stesso tempo è vietato dalle leggi fondamentali della fisica“.

Impiegando questa tecnica insieme ad una luce molto debole, un chip per videoproiettore e una moderna telecamera di rilevamento a singolo fotone, i ricercatori hanno dimostrato di poter trasmettere fino a sette bit sicuri per fotone.

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