Una rete quantistica a prova di grande fratello

Schema del funzionamento di un network quantistico. (Crediti: Nature 501, 69–72 (05 September 2013) doi:10.1038/nature12493).

Una rete quantistica a prova di spioni? Forse a breve sarà possibile. Lo spiega un articolo intitolato A quantum access network e pubblicato su Nature in cui, i ricercatori della Stanford University mostrano di aver costruito un’infrastruttura economica e semplice per garantire la massima sicurezza nello scambio di informazioni su una rete quantistica. La nuova tecnica si basa su un modello sviluppato negli anni Ottanta, la distribuzione di chiavi quantistiche (Quantum Key Distribution, Qkd), straordinariamente efficace nella protezione di dati riservati, ma finora applicabile solo a reti di piccole dimensioni. I ricercatori sono riusciti ad ampliare la portata del sistema fino a 64 utenti, semplificandone l’architettura e riducendone i costi. E sperano di arrivare anche oltre.

Da anni gli scienziati sanno che i sistemi di crittografia quantistica fino ad ora noti sono vulnerabili. Per questo motivo spesso ci si rivolge alla Qkd, in cui il mittente di un messaggio invia al destinatario una “chiave” – lo strumento che serve a decodificare l’informazione – fatta di stati quantistici: la polarizzazione di uno o più fotoni, ad esempio. Grazie al principio di indeterminazione di Heisenberg, quando un terzo utente tra Alice e Bob, i due coinvolti nella trasmissione dell’informazione, poniamo Eva, cerca di inserirsi nella comunicazione e decodificare il messaggio, i fotoni vengono irrimediabilmente distrutti. L’informazione è quindi destinata ad andare perduta per sempre. Di conseguenza, la Qkd è ritenuta un metodo di criptazione praticamente inattaccabile.

Lo sviluppo di architetture di questo tipo, finora, era stato fortemente limitato da costi eccessivi e difficoltà eccessive nell’inserimento delle reti esistenti. Gli scienziati di Stanford hanno aggirato il problema, creando delle sottoreti – tecnicamente hub – dotate di un rivelatore di fotoni ciascuna, lo strumento necessario alla ricezione e interpretazione della “chiave”. In questo modo, più utenti possono condividere lo stesso fotorilevatore e utilizzarlo per lo scambio dei messaggi. Hanno raggiunto questa impresa impiegando due tipi di trasmettitori quantistici che sono in grado di operare a frequenze di ripetizione variabile insieme ai componenti di stabilizzazione. Attualmente, il metodo è stato testato su reti di medie dimensioni, fino a 64 utenti, ma i ricercatori sono già al lavoro per cercare di semplificare ulteriormente l’architettura, estendendo il numero di collegamenti di ciascun hub. E’ possibile che questo approccio venga applicato a reti molto più grandi che portano alla diffusione di Qkd in una varietà di applicazioni.

Vediamo di chiarire meglio la questione approfondendo un concetto qui rimasto sullo sfondo. In un recente articolo disponibile su arXiv, un team di ricercatori del National Laboratory di Los Alamos ha annunciato la costruzione di una rete quantistica che sarà disponibile e, ovviamente, funzionante tra circa due anni e mezzo. la rete è basata sulla tecnologia hub and spoke e permetterà scambi di informazioni sicure al 100%. Abbiamo già parlato dei problemi che la crittografia quantistica sta incontrando nella creazione di un sistema di comunicazione non hackerabile. Con il nuovo approccio teorico i ricercatori si trovano ad affrontare un altro problema: come implementare il sistema per creare un network?

Vediamo anzitutto cos’è un sistema hub and spoke. Si tratta di un modello di sviluppo della rete delle compagnie aeree costituito da uno scalo dove si concentrano la maggior parte dei voli. Si è sviluppato negli Stati Uniti all’epoca della deregulation nell’aviazione civile commerciale: in sostanza è accaduto questo: con l’introduzione del libero mercato, e la possibilità di definire arbitrariamente il prezzo del biglietto, l’architettura dei trasporti aerei si trovò in profonda crisi. Subì una revisione quasi totale concentrando i collegamenti su un hub, una specie di “cuore” di un network interconnesso. Il risultato è la capacità di fornire più collegamenti tra due aeroporti spokes, il cui flusso di traffico, invece di risolversi con voli diretti, viene convogliato sull’hub. Il termine hub and spoke è stato coniato pensando alle ruote delle biciclette (hub = mozzo, spoke = raggio), in cui il centro del raggio è una sorta di centro di smistamento in cui convogliano tutte le linee.

Nell’immagine sotto è riportata la configurazione del test utilizzando il sistema QSC di Los Alamos (LANL) per fissare i comandi di controllo PMU e dati. Il banco di prova TCIPG ha fornito un (potenziale) simulatore digitale (PMU) e il software PDC per controllare e visualizzare i dati della PMU. (Credit: arXiv: 1305.0305 [quant-ph]).

Sembra difficile implementare una rete quantistica. Cerchiamo di capire il motivo in modo semplice: la chiave che inviamo da Alice a Bob deve seguire una “rotta” definita e, possibilmente, senza deviazioni. Poniamo di dover andare da Los Angeles ad Atalanta: dovremmo fare vari scali, Phoenix, Albuquerque, Dallas/Ft. Worth e Atlanta. Lo schema di volo  hube and spoke permette di passare solo da Denver. Lo stesso principio è stato pensato per le reti quantistiche. In questo approccio, tutti i nodi della rete sono collegati direttamente al mozzo. Il mozzo legge il messaggio (provocando un cambiamento nei contenuti), poi lo riconfeziona e lo invia in modo sicuro al destinatario originale. Questo rende la rete sicura in tutti i punti tranne che in uno: il mozzo.

Questo approccio, benché innovativo, ha due difetti fondamentali. La debolezza dell’hub: se, infatti, venisse violato, l’intero sistema ne verrebbe compromesso. E la scalabilità. Il numero dei nodi collegato all’hub non può essere infinito poiché il sistema risulta molto presto ingombrante. Sarebbe certo possibile non dotare ciascun nodo di un rilevatore di fotoni, lasciandogli però il rilevatore quantistico: finché questi problemi non saranno risolti il sistema resta un’interessante opzione teorica. (Fonte: http://phys.org/news/2013-09-toshiba-quantum-network.html. Pubblicato su cyberscienza.it  il 12/05/2013).

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