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.

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.

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.

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.

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.

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”.

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”.

“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.”

“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.”

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