Ultimamente l’idea di utilizzare i principi della meccanica quantistica per il miglioramento delle comunicazioni, a livello di protezioni dei dati, non ha fatto che affermarsi grazie al contributo di Giuseppe Vallone. 

Tempo fa aveva guidato l’equipe del Quantum Future all’Università di Padova per dar vita al progetto volto a realizzare la prima rete quantistica italiana. E ora sentiamo ancora una volta parlare di lui “a causa” dell’ultima invenzione nel campo quantistico, sviluppata all’Università di Padova, ovvero POGNAC: una nuova tecnologia che mira a rendere più semplice la crittografia quantistica riuscendo a manipolare i Qubit fragilissimi e rendendoli più stabili.

Rappresentazione schematica del principio di funzionamento del POGNAC. Le fibre SM sono rappresentate in fibre gialle e PM in blu. Credit: arxiv.org

La comunicazione quantistica potrebbe infatti rappresentare la svolta decisiva nella protezione dei dati scambiati su internet ogni giorni poiché presenta una crittografia impossibile da violare, basata sullo scambio di quantum bit o Qubit.

Si stima che ogni secondo vengano sottratti dati da 44 account diversi per mezzo di attacchi informatici. Il Cybersecurity Ventures riporta che, dal 2013, nel mondo i dati rubati ogni giorno ammontano a circa 3.809.448. Questo perché i complicati algoritmi che proteggono questi dati non sono perfetti e pertanto non possono eludere particolari attacchi hacker.

Ripassiamo come funziona un Qubit

Molto spesso abbiamo parlato del funzionamento dei Qubit. Innanzitutto la differenza base risiede nel fatto che un bit classico può assumere solamente due valori distinti: 0 o 1. I Qubit invece consentono agli 0 e 1 di esistere contemporaneamente generando una sovrapposizione di stati.

In questo modo i computer quantistici sono in grado di sovrapporre i calcoli e svolgerli in parallelo, facendo assumere ad ogni Qubit stati diversi allo stesso tempo, invece che in modo sequenziale come avviene oggi. In questo modo vi è la possibilità di eseguire calcoli esponenziali in brevissimo tempo, rendendo i computer abbastanza potenti per attività incredibilmente complicate.

In secondo luogo quello su cui si basa la comunicazione quantistica è la cosiddetta QKD o distribuzione quantistica di chiave. Secondo questo principio viene creata una chiave di cifratura condivisa tra due utenti e che è impossibile da intercettare.

Riproponiamo quindi l’esempio offerto dalla rivista Nature di come funzionerebbe tale sistema:

“Immaginiamo di avere due utenti, Alice e Bob. Alice possiede informazioni memorizzate in un qubit A e vuole inviarle al qubit B di Bob. Per scambiarsi i dati, Alice e Bob devono dotarsi di altri due qubit (che servano da proxy, cioè intermediari) PA e PB tra loro correlati quantisticamente. Alice, a questo punto, correla il proprio qubit A con il proxy PA: di conseguenza, A diventerà correlato anche con PB. In sostanza, Alice esegue una particolare misura contemporanea su A e su PA, condividendone poi il risultato con Bob. Bob usa questa informazione per manipolare il proprio qubit B e farlo collassare sullo stesso stato del qubit A di Alice.”

Credit: nature.com

La chiave è creata codificando i Qubit nella polarizzazione di singoli fotoni scambiati tra essi. Le leggi della meccanica quantistica fanno il resto. Ovvero assicurano che nessun altro utente possa trarre informazioni sulla chiave. Un Qubit è infatti impossibile  da copiare, qualsiasi misura effettuata su di esso ne altererebbe lo stato. Così se durante lo scambio di fotoni un avversario dovesse tentare di estrarre informazioni, gli utenti legittimi se ne accorgerebbero poichè noterebbero una variazione nella polarizzazione dei fotoni ricevuti. Una volta che la chiave è stata condivisa in maniera sicura, i due utenti possono scambiarsi informazioni criptate in maniera assolutamente sicura.

POGNAC: Polarisation Sagnac

Lo studio svolto dall’equipe è intitolato “All-fiber self-compensating polarization encoder for Quantum Key Distribution” e descrive il funzionamento di POGNAC: un sistema che prevede un dispositivo compatto completamente in fibra ottica e autocompensante, in grado di codificare efficientemente e rapidamente i Qubit nella polarizzazione dei singoli fotoni.

Grazie al suo design basato su un interferometro ad anello (o di Sagnac) in fibra, permette di cancellare le derive a cui erano soggetti i precedenti encoder, garantendo una stabilità su lunghi periodi. Inoltre i materiali usati per la realizzazione di POGNAC sono normali componenti commerciali tipicamente usati per le classiche comunicazioni in fibra, permettendo di modulare la polarizzazione più di un miliardo di volte al secondo e al contempo semplificando il setup e riducendo i costi totali del dispositivo.

Grazie a questi due fattori chiave, stabilità e alta velocità di modulazione, questo schema risulta ideale per i protocolli di QKD in spazio libero e in fibra.

«Ci si aspetta che la QKD abbia un profondo impatto sulla privacy e sulla sicurezza dei cittadini – dice Giuseppe Vallone – Il nostro schema semplifica la generazione di Qubit codificati nella polarizzazione dei fotoni. La polarizzazione è in particolare la codifica più adatta alle comunicazioni quantistiche in spazio libero, come da satellite verso Terra o tra i terminali mobili, in quanto non viene perturbata durante la propagazione».

Data la compattezza, POGNAC può essere inoltre utilizzato come trasmettitore a bordo di satelliti per estendere la distribuzione di chiave quantistica su scale globali.

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