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Mauro Valeri

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Conversazioni crittografate: quando le leggi della fisica proteggono i dati sensibili

Un nuovo studio Sapienza, frutto della collaborazione tra due gruppi sperimentali del Dipartimento di Fisica, dimostra come, attraverso l’impiego di un nuovo tipo di emettitori di fotoni, i quantum dots, sia possibile garantire un ulteriore livello di sicurezza per i dati trasmessi in un canale di comunicazione, sia che si tratti di una conversazione telefonica che una transazione bancaria. La ricerca, pubblicata su Science Advances, ha previsto lo sviluppo sperimentale del primo canale di comunicazione quantistica tra due edifici all’interno del campus Sapienza.

Comunicare a distanza è diventata la regola nella vita di tutti i giorni sia per contattare privatamente amici o conoscenti, che per inviare dati sensibili, come ad esempio nelle transazioni bancarie.

Diventa quindi di fondamentale importanza creare un apparato di protezione che renda sicuro lo scambio di dati, salvaguardandoli da potenziali intrusi. Infatti gli attuali mezzi di comunicazione sono intrinsecamente vulnerabili e il loro livello di sicurezza dipende esclusivamente dalle capacità tecnologiche dell’intruso.

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Conversazioni crittografate: quando le leggi della fisica proteggono i dati sensibili, con lo sviluppo sperimentale del primo canale di comunicazione quantistica tra due edifici

Una soluzione a questo problema è stata individuata nella meccanica quantistica, che fornisce sistemi oggi conosciuti con la denominazione di “distribuzione a chiave quantistica”, in cui la sicurezza della comunicazione è garantita dalle leggi della fisica stessa: in una comunicazione crittografata, due utenti usano una chiave segreta per codificare un qualsiasi messaggio che diventa incomprensibile all’esterno. Questa chiave viene trasmessa, come suggerisce il nome, utilizzando segnali quantistici.

La sicurezza di tali protocolli è garantita dalla impossibilità di duplicare esattamente uno stato quantistico sconosciuto, una peculiare proprietà che rende visibile la presenza di un eventuale intruso nel canale di comunicazione. Nonostante questo tipo di soluzione sia già stata studiata e implementata sperimentalmente negli ultimi anni grazie all’aiuto delle tecnologie ottiche, una delle sfide più difficili da affrontare è quella di ottimizzare la generazione dei portatori di informazione quantistica per tale scopo, ovvero i singoli fotoni, e la loro peculiare proprietà di correlazione a distanza, l’entanglement quantistico.

Foto del gruppo Nanophotonics

Oggi un nuovo studio della Sapienza Università di Roma, frutto della collaborazione sinergica tra due gruppi sperimentali del Dipartimento di Fisica, il gruppo Nanophotonics coordinato da Rinaldo Trotta e il gruppo Quantum Lab coordinato da Fabio Sciarrino, dimostra come sia possibile garantire un ulteriore livello di sicurezza per i dati trasmessi in un canale di comunicazione attraverso l’impiego di un nuovo tipo di emettitori di fotoni, i quantum dots.

Foto del gruppo Quantum Lab

I quantum dots, o punti quantici, sono nanostrutture le cui dimensioni sono migliaia di volte più piccole di un capello umano ed è stato dimostrato che, sotto opportune condizioni, sono in grado di generare coppie di fotoni entangled di altissima qualità.

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Conversazioni crittografate: quando le leggi della fisica proteggono i dati sensibili, con lo sviluppo sperimentale del primo canale di comunicazione quantistica tra due edifici

Per raggiungere i risultati pubblicati sulla rivista Science Advances, i giovani ricercatori hanno realizzato il primo canale di comunicazione quantistica sviluppato all’interno del campus della Sapienza, un’infrastruttura per la distribuzione in aria di una chiave crittografata tra due strutture del Dipartimento di Fisica, l’edificio Marconi e l’edificio Fermi, distanti oltre 250 metri: il “mittente Marconi”, con un dispositivo a quantum dot, produce coppie di fotoni entangled, usate per creare a distanza due copie uniche di una chiave segreta e il “destinatario Fermi” che riceve una sequenza di fotoni singoli da cui estrae la sua copia della chiave segreta. Questa può essere utilizzata per inviare messaggi privati, come avviene nelle comuni conversazioni sul sistema di messaggistica WhatsApp.

Schema di network quantistico

La realizzazione di un tale canale in aria ha comportato la necessità di contrastare gli effetti ambientali di disallineamento. Difficoltà risolta con successo attraverso l’applicazione di un metodo di stabilizzazione attiva della luce.

“Uno degli aspetti più affascinanti di questo esperimento – commenta Francesco Basso Basset, assegnista di ricerca del gruppo Nanophotonics – è stata la realizzazione del sistema trasmissione-ricezione in aria tra i due edifici, cosa nuova per noi, abituati a portare avanti la ricerca solitamente nella stessa stanza di laboratorio”.

Conversazioni crittografate: quando le leggi della fisica proteggono i dati sensibili, con lo sviluppo sperimentale del primo canale di comunicazione quantistica tra due edifici

Durante l’esperimento, una coppia di singoli fotoni entangled è stata infatti separata e mandata alle due estremità del canale, permettendo così la condivisione di una chiave segreta grazie alla correlazione quantistica.

“In questo protocollo, è possibile condividere una stringa di bit, che forma la chiave segreta, sfruttando l’entanglement quantistico che è presente nei due singoli fotoni – spiega Mauro Valeri, dottorando del gruppo QuantumLab. “Un altro aspetto rilevante sta nel fatto che la meccanica quantistica ci fornisce gli strumenti per capire se ci sono eventuali intrusi nel canale: se un intruso vuole appropriarsi dei segnali inviati, possiamo immediatamente identificarlo misurando nei nostri laboratori l’avvenuta perdita dell’entanglement”.

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Conversazioni crittografate: quando le leggi della fisica proteggono i dati sensibili, con lo sviluppo sperimentale del primo canale di comunicazione quantistica tra due edifici

“La novità di questo studio – aggiunge Fabio Sciarrino – è costituita dall’introduzione dei punti quantici nel campo della comunicazione quantistica; infatti, a differenza delle soluzioni del passato, questi dispositivi non si basano su un processo fisico probabilistico e possono ambire a fornire fotoni “on demand”, fattore di rilevanza fondamentale per la realizzazione sperimentale di molti protocolli di comunicazione quantistica a distanza.”

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Conversazioni crittografate: quando le leggi della fisica proteggono i dati sensibili, con lo sviluppo sperimentale del primo canale di comunicazione quantistica tra due edifici

“Il quantum dot – conclude Rinaldo Trotta – ha tutti i requisiti per essere tra i più promettenti emettitori di segnali ottici nel campo della comunicazione quantistica, e questo esperimento dimostra che un suo utilizzo nei network quantistici del futuro è possibile. Siamo convinti che questa sia solamente la punta dell’iceberg e molte altre scoperte verranno fatte partendo da questo studio; il prossimo passo da fare sarà l’aumento della velocità di trasmissione, realizzando quantum dot con una efficienza di emissione sempre più alta. L’obiettivo è di condurre questa tecnologia ad una implementazione su scala globale.”

Conversazioni crittografate: quando le leggi della fisica proteggono i dati sensibili, con lo sviluppo sperimentale del primo canale di comunicazione quantistica tra due edifici

Riferimenti:

Quantum key distribution with entangled photons generated on-demand by a quantum dot – Francesco Basso Basset, Mauro Valeri, Emanuele Roccia, Valerio Muredda, Davide Poderini, Julia Neuwirth, Nicolò Spagnolo, Michele B. Rota, Gonzalo Carvacho, Fabio Sciarrino and Rinaldo Trotta – Science Advances (2021) DOI: 10.1126/sciadv.abe6379

Testo e foto dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

I giovani ricercatori del QuantumLab della Sapienza, coordinato da Fabio Sciarrino, hanno realizzato la prima rete quantistica in grado di generare correlazioni non-locali tra cinque laboratori distinti. L’articolo è stato pubblicato su Nature Communications

rete quantistica Quantum Lab

Dodici giovanissimi ricercatori, cinque laboratori da coordinare e una rete da formare.

Così l’esperienza interdisciplinare del gruppo del Quantum Information Lab della Sapienza, guidato da Fabio Sciarrino e composto da un laureando magistrale, sei studenti di dottorato, un tecnico elettronico, un assegnista e un ricercatore, con il supporto del fisico brasiliano Rafael Chaves, ha portato alla realizzazione di una rete quantistica formata da cinque diversi nodi, che ha permesso di mostrare correlazioni quantistiche condivise da più di tre parti distinte, il massimo mai raggiunto finora.

Le tecnologie basate sulle leggi della meccanica quantistica sono sempre più diffuse ed i potenziali vantaggi legati al loro utilizzo sono ormai riconosciuti in tutti i campi, dalla comunicazione alla protezione dei dati. “Ciononostante – commenta Gonzalo Carvacho, assegnista senior del QuantumLab – test di non-località multipartita sono stati limitati ai casi più semplici. Qui andiamo oltre, verso la realizzazione di reti quantistiche più grandi”.

Nello studio pubblicato su Nature Communications, il team ha scelto infatti una configurazione “a stella”, in cui si ha un nodo centrale che condivide uno stato quantistico correlato con quattro nodi periferici, tutti collocati in laboratori diversi, muniti di una sorgente di stati quantistici e da una stazione di misura.

Qui ogni nodo genera uno stato formato da due sottosistemi correlati e, attraverso una fibra lunga 30 metri, ne manda uno a quello centrale. A questo punto, sia il nodo centrale sia quelli periferici effettuano misure sul loro sistema, sincronizzandosi attraverso un sofisticato software realizzato ad hoc per l’esperimento.

“Infine – spiega Davide Poderini, studente di dottorato – abbiamo verificato che tra le sorgenti degli stati quantistici non ci fosse una comunicazione “classica”, bensì solo correlazioni quantistiche (o non classiche). Usando dei dispositivi totalmente diversi e scorrelati nei vari laboratori, possiamo assicurare, con un elevato livello di confidenza, la loro indipendenza”.

“Questo risultato – aggiunge Iris Agresti, da poco assegnista junior del QuantumLab – è un passo avanti significativo verso la realizzazione di una rete quantistica di grandi dimensioni, perché offre un prototipo scalabile, che va oltre gli scenari più semplici realizzati finora”.

I risultati dell’esperimento, per sua natura versatile, costituiscono un elemento chiave per nuovi studi su topologie diverse di rete capaci di generare correlazioni non-classiche di vari tipi, aprendo scenari inesplorati. Inoltre, l’apparato progettato potrà anche essere utilizzato per la realizzazione di nuovi protocolli di comunicazione e di crittografia.

“Il prossimo passo – conclude Fabio Sciarrino – sarà combinare le aree di esperienza del gruppo nella fotonica integrata e nella realizzazione di stati quantistici condivisi da più parti, per nuove applicazioni che si trovino all’intersezione tra la comunicazione e la computazione quantistica”.

Referimenti:

 

Experimental violation of n-locality in a star quantum network – Davide Poderini, Iris Agresti, Guglielmo Marchese, Emanuele Polino, Taira Giordani, Alessia Suprano, Mauro Valeri, Giorgio Milani, Nicolò Spagnolo, Gonzalo Carvacho, Rafael Chaves and Fabio Sciarrino – Nature Communications volume 11, Article number: 2467 (2020) DOI 10.1038/s41467-020-16189-6

rete quantistica Quantum Lab

Testo e immagini dall’Ufficio Stampa Università La Sapienza Roma