Anche grazie all’Italia l’Europa avrà una sua rete di trasmissione quantistica, una “Quantum communication infrastructure” capace di garantire comunicazioni ultrasicure e l’integrità dei dati trasmessi tra le istituzioni governative e le infrastrutture critiche di tutta l’Unione Europea. Una sorta di “Quantum Internet”, dicono a Leonardo, l’azienda italiana partecipata dallo Stato che sviluppa sistemi di difesa. E proprio questa è una delle chiavi di lettura dell’annuncio appena dato: la difesa e la sicurezza delle comunicazioni sia tra gli umani che tra i miliardi di oggetti intelligenti che popoleranno la nostra quotidianità.
L’impresa viene affrontata a livello europeo dalle aziende riunite nel consorzio EuroQCI e, come ha spiegato Lucio Valerio Cioffi, direttore generale di Leonardo: “Elemento centrale è costituito dalla possibilità di utilizzare tecnologie quantistiche per scambiare chiavi crittografiche, garantendo la totale sicurezza delle comunicazioni nella gestione di un’enorme mole di dati”. A impiegare per primo la rete EuroQCI sarà il servizio quantum key distribution (QKD), che trasmetterà le chiavi di crittografia attraverso canali di comunicazione quantistica sia su fibra ottica terrestre sia su collegamenti laser spaziali.
Come funziona la comunicazione quantistica e perché è sicura
La rappresentazione dei dati basata sulla fisica quantistica anziché su quella classica apre nuovi scenari sia per le comunicazioni che per l’elaborazione di dati. I computer quantistici sono infatti caratterizzati da una maggiore potenza di calcolo e velocità e, collegati a simulatori e sensori quantistici consentiranno capacità di analisi e previsione senza precedenti e in totale sicurezza. “Questi computer potranno anche essere usati per sovvertire i sistemi crittografici oggi più usati, ma sono già allo sviluppo tecniche di crittografia post-quantum per difenderci, mentre le comunicazioni quantistiche consentono la distribuzione sicura di chiavi crittografiche per cifrarle e decifrarle”, ci dice il professore Marco Baldi dell’Università Politecnica delle Marche. Un livello di sicurezza reso possibile dal fatto che la tecnica di distribuzione usata permette di trasmettere una chiave segreta da un utente ad un altro in condizione di segretezza perfetta dal punto di vista matematico perché le caratteristiche quantistiche dei fenomeni fisici utilizzati permettono di scoprire se qualcuno ha provato a intercettare le chiavi.
Spieghiamolo meglio: nella comunicazione quantistica i riceventi sono in grado di capire se un messaggio è stato decifrato oppure no perché le particelle quantistiche che compongono il messaggio non possono essere “misurate” senza alterare le informazioni che contengono: i singoli fotoni una volta intercettati perdono infatti il loro contenuto informativo per le leggi della meccanica quantistica a livello fisico, leggi che governano la trasmissione di segnali deboli dentro le fibre ottiche. Se i fotoni che portano il messaggio arrivano nello stesso stato in cui sono stati inviati, significa che nessuno ha provato a intercettarlo. Viceversa se arrivano in uno stato diverso vuol dire che le informazioni sono state captate da qualcuno o qualcosa e il messaggio non è più sicuro. A questo punto si ripete la procedura finché non si è certi di aver evitato un attacco.
Qubit e algoritmi: la nuova frontiera dell’informatica
Per Alessandro Zavatta primo ricercatore dell’Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche: “La configurazione base di una rete di comunicazione quantistica è proprio lo scambio chiavi, una tecnologia già pronta che permette comunicazioni ultrasicure. Ma se uno collega i computer quantistici ai sensori quantistici finisce per creare un nuovo ecosistema tecnologico ancora inesplorato e tutto da costruire, ma con potenzialità straordinarie.”
Gli odierni computer quantistici hanno capacità ridotte perché lavorano con pochi qubit (“quantum bit”), come erano i primi computer a 16 bit del passato. Adesso hanno pochi qubit ma in futuro avranno l’equivalente dei bit dei moderni computer, ma in grado di sviluppare un drastico aumento della una potenza di calcolo. Secondo Zavatta “Quando li avremo collegati in maniera efficiente in network, questa capacità di codificare l’informazione si moltiplicherà a dismisura, permettendo una potenza di calcolo distribuita e sicura grazie alla sovrapposizione degli stati quantistici”.
Il professor Baldi ci spiega meglio il concetto: “Nei computer quantistici, al posto dei bit convenzionali, unità d’informazione binaria, rappresentati come 0 e 1, e simili ai due stati “aperto” e “chiuso” di un interruttore, si usano i qubit, elementi base dell’informazione quantistica che si trovano in uno stato di sovrapposizione capace di rappresentare contemporaneamente sia il valore 0 che il valore 1″. Un po’ come il gatto di Schrödinger chiuso nella scatola che è contemporaneamente vivo e morto finché non l’apriamo per sapere come sta.
Baldi, che insegna cybersecurity e crittografia, aggiunge: “Da un lato, questo stato quantistico della materia è così delicato che una qualsiasi operazione di misura ne provoca il deterioramento, e ciò è alla base della sicurezza perfetta raggiungibile dalla distribuzione quantistica di chiavi. D’altro lato, i qubit in stato di sovrapposizione possono essere elaborati da computer quantistici che possono così eseguire in modo nativamente parallelo calcoli ed algoritmi che richiederebbero moltissime ripetizioni su un computer classico, accelerandone drasticamente l’esecuzione.” Chiaro, no?
Il ruolo della ricerca di base
In precedenza era stato proprio l’Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche insieme ad altri a dimostrare la distribuzione quantistica di chiavi segrete in maniera sicura su un canale privato a prova di intercettazione. In questo caso, la comunicazione quantistica era stata usata solo per produrre e distribuire le chiavi crittografiche e non per collegare dispositivi a tecnologia quantistica come computer e sensori.
Col progetto che vede coinvolti per l’Italia Leonardo, il Consiglio Nazionale delle Ricerche e l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica nel prossimo futuro si potranno distribuire messaggi su reti ad alta velocità di computer quantistici. Per sviluppare l’iniziativa, Leonardo ha creato un Laboratorio ‘Quantum’ dedicato all’interno della rete dei Leonardo Labs. Ma i laboratori di ricerca dei nostri enti nazionali sono già all’avanguardia su questo tema e sono stati i primi a sperimentare questo tipo di comunicazione sulla dorsale quantistica italiana che collega Torino a Matera.
Del consorzio selezionato dalla Commissione europea, fanno parte anche Airbus, Orange, PwC France e Maghreb, e Telespazio. EuroQCI integrerà le tecnologie e i sistemi quantistici nelle reti di comunicazione terrestri in fibra ottica e includerà un segmento spaziale che assicurerà una copertura completa in tutta l’Ue e in altri continenti. L’obbiettivo finale è proteggere i sistemi di crittografia e le infrastrutture critiche europee, i parlamenti, il traffico aereo, le strutture sanitarie, banche, porti e reti energetiche dagli attacchi informatici condotti ogni giorno sia da gang criminali che da stati canaglia.
