Alcuni ricercatori cinesi hanno raggiunto un traguardo importante nella distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) spazio-terra, dimostrando un terminale QKD funzionale con metà della massa di un sistema precedente. Dopo aver inviato il nuovo terminale nello spazio per orbitare attorno alla Terra a bordo del laboratorio spaziale Tiangong-2, gli scienziati di Laboratorio Nazionale di Hefei e la Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) ha condotto una serie di 19 esperimenti tra il 23 ottobre 2018 e il 13 febbraio 2019, trasmettendo con successo chiavi quantistiche tra il satellite e quattro stazioni a terra in 15 giorni separati.
Come altri terminali QKD, il dispositivo oggetto di questo studio si basa sul comportamento quantistico della luce per creare i tipi di chiavi di crittografia necessarie per proteggere i dati. “La QKD utilizza l’unità fondamentale della luce – i singoli fotoni – per codificare le informazioni tra due utenti distanti”, spiega Jian-Wei Pan, fisico dell’USTC e coautore di un articolo sulla ricerca in Optica. “Ad esempio, il trasmettitore può codificare in modo casuale le informazioni sugli stati di polarizzazione dei fotoni, come orizzontale, verticale, lineare +45° o lineare –45°. Sul ricevitore è possibile eseguire una decodifica dello stato di polarizzazione simile e ottenere le chiavi grezze. Dopo la correzione degli errori e l’amplificazione della privacy, è possibile estrarre le chiavi sicure finali”.
Sicurezza a prova di futuro
Il nuovo terminale QKD snello è una buona notizia per gli utenti con elevati requisiti di sicurezza. Sebbene la crittografia tradizionale a chiave pubblica sia attualmente uno dei migliori mezzi di crittografia, si basa sul fatto che i computer classici semplicemente non sono in grado di risolvere determinati problemi in un periodo di tempo ragionevole. Tuttavia, queste intrattabili funzioni matematiche funzionano solo se l’hacker utilizza un computer classico. Come sottolinea Pan, in futuro un computer quantistico potrebbe semplicemente usare L'algoritmo di Shor per decifrare anche i migliori metodi di crittografia attuali.
Se i computer quantistici riuscissero a violare la crittografia classica, una possibile soluzione sarebbe quella di utilizzare invece la crittografia quantistica, quando applicabile. "QKD fornisce una soluzione sicura delle informazioni al problema dello scambio di chiavi", afferma Pan. “Il teorema della non clonazione quantistica impone che uno stato quantistico sconosciuto non possa essere clonato in modo affidabile. Se l’intercettatore tenta di origliare nella QKD, inevitabilmente introduce disturbi nei segnali quantistici, che verranno poi rilevati dagli utenti della QKD”.
Paolo Kwiat, un fisico dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, negli Stati Uniti, che non è stato coinvolto nella ricerca, aggiunge che qualsiasi attacco alla QKD deve essere effettuato al momento della trasmissione. “In questo senso, QKD è talvolta descritto come 'a prova di futuro' – non importa quale potenza di calcolo qualche avversario svilupperà tra 10 anni (il che sarebbe importante per la crittografia a chiave pubblica); tutto ciò che conta sono le capacità di un intercettatore quando la chiave quantistica viene inizialmente distribuita”, afferma Kwiat, che guida la divisione comunicazioni quantistiche at Q-AVANTI, un consorzio di ricerca focalizzato sulle sfide dell'informazione quantistica.
Limitazione della luce diurna
Mentre il precedente lavoro QKD è stato condotto con un dispositivo diverso sul satellite Micius, nell’ultimo studio i ricercatori sono stati in grado di ridurre la massa del terminale integrando il carico utile QKD con altri sistemi come elettronica di controllo, ottica e telescopi. Questo è un importante passo avanti, ma i membri del team Hefei-USTC non hanno finito. Una sfida menzionata nel loro articolo è che attualmente non possono utilizzare il terminale durante il giorno. Questo perché la diffusione della luce solare crea un rumore di fondo da cinque a sei ordini di grandezza superiore a quello osservato negli esperimenti condotti di notte. Detto questo, Pan e i suoi colleghi stanno lavorando su tecnologie come l’ottimizzazione della lunghezza d’onda, il filtraggio spettrale e il filtraggio spaziale per consentire il funzionamento QKD con la luce diurna.
QKD indipendente dal dispositivo avvicina Internet quantistico non hackerabile
Pan afferma che il team ha grandi progetti, che si spera culminino nella creazione di una rete quantistica globale integrata satellite-terra in grado di fornire servizi agli utenti di tutto il mondo. Dopo il successo di questo lavoro, il team inizierà a costruire una costellazione di satelliti quantistici composta da diversi satelliti in orbita bassa, un satellite in orbita medio-alta e le reti QKD in fibra terrestre. “Riteniamo che il nostro lavoro contribuirà a creare un’interessante area di ricerca su come costruire la costellazione di satelliti ottimale”, afferma Pan.
