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Quantum security: ecco la crittografia perfetta

Quantum security: ecco la crittografia perfetta

| Giuseppe Vallone | cybersecurity
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#CybersecurityCafé

di Giuseppe Vallone, Università degli Studi di Padova

In una società digitale come la nostra è di prioritaria importanza la protezione dei dati sensibili, e in questo articolo vedremo come la crittografia quantistica sia in grado di soddisfare questa esigenza, permettendo lo scambio di informazioni in maniera completamente sicura.

I dati che oggi viaggiano in rete, per esempio il numero della carta di credito che inseriamo in un sito di e-commerce, sono protetti dalla crittografia classica, basata su “esercizi” matematici difficili (e quindi lunghi) da risolvere per gli attuali calcolatori. Difficile non vuol dire però impossibile, e lo sviluppo di calcolatori quantistici o la scoperta di algoritmi più efficaci potrebbero mettere in crisi questo sistema.

La sicurezza della crittografia quantistica, al contrario, non è legata alla complessità di un calcolo ma è basata sulla fisica, sulle “strane” proprietà delle particelle quantistiche.

La crittografia quantistica sfrutta lo scambio di singoli fotoni, i più piccoli “granelli” di luce, sui quali vengono codificati bit quantistici, detti qubit.

A differenza dei bit classici, i qubit non possono essere copiati perfettamente e qualunque tentativo di “leggerne” l’informazione determina un’alterazione dello stato del qubit, il famoso “collasso della funzione d’onda”. Dunque se un hacker intercetta il segnale trasportato dai singoli fotoni viene scoperto e può essere neutralizzato.

La crittografia quantistica è un protocollo di distribuzione di chiave casuale (o QKD). Questa chiave casuale non contiene nessuna informazione in sé, ma una volta che due utenti possiedono la stessa chiave sicura, vale a dire non nota a nessun altro, possono utilizzarla per criptare un messaggio segreto tramite il cosiddetto cifrario di Vernam (o cifrario perfetto), l’unico sistema crittografico assolutamente inviolabile.

Non parliamo quindi del miglioramento del sistema esistente, ma di una vera rivoluzione rispetto alle tecniche tradizionali: la sicurezza non è più basata sulla capacità di calcolo che sarebbe necessaria ad un eventuale hacker, ma direttamente sui principi della natura. Questo permette tra l’altro di garantire la cosiddetta segretezza in avanti: un messaggio criptato oggi con una chiave generata per mezzo della QKD rimarrà segreto anche in futuro, quando avremo calcolatori molto più potenti.

Il gruppo di ricerca QuantumFuture dell’Università di Padova, in cui lavoro da circa 10 anni, è da molto tempo impegnato nella realizzazione di sistemi di crittografia quantistica avanzati e in particolare sistemi che sfruttano collegamenti satellitari. Infatti, come è successo per le comunicazioni classiche, anche le comunicazioni quantistiche richiederanno l’uso di satelliti per la creazione di un network globale. Per citare un risultato recente, abbiamo sviluppato un sistema di QKD semplice, con prestazioni record e utilizzabile sia in fibra ottica che verso satellite.

La QKD rivoluzionerà la sicurezza nelle comunicazioni digitali e già oggi esistono sistemi commerciali (molto costosi) che la realizzano. Nei prossimi anni ci si attende una semplificazione dei dispositivi, un aumento delle prestazioni e una riduzione dei costi, come è avvenuto in passato per molte tecnologie, basti pensare ai telefoni cellulari.

È possibile prevedere che in futuro i dispositivi che realizzano la QKD saranno integrati negli apparati di rete e dunque per l’utente finale non cambierà nulla dal punto di vista dell’utilizzo: per fare un esempio, tutti usiamo il protocollo https, ma la stragrande maggioranza degli utenti non è a conoscenza dei suoi principi di funzionamento. Insomma, lo sviluppo della crittografia quantistica è un’ottima notizia per un uso sicuro della rete e una maggiore tutela della privacy digitale ed è probabile che nei prossimi anni questa tecnologia arriverà fin dentro alle nostre case.

Quantum Technologies for cyber-security - G.Vallone - Workshop GARR 2019.

Per approfondire: I risultati del lavoro sulla QKD con prestazioni record e realizzato dall’équipe dell’Università di Padova sono pubblicati su Optica 7, 284 (2020).

GARR NEWS N° 22 - estate 2020

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