Sicurezza informatica e comunicazioni: nasce “POGNAC”

La sicurezza informatica è diventata di cruciale importanza per proteggere i dati personali che ognuno di noi ogni giorno scambia su internet. Password di accesso, numeri di carte di credito e messaggi di chat vengono tutti protetti da complicati algoritmi matematici alla base dei moderni sistemi di crittografia. Tuttavia, questi sistemi non sono perfetti. Cybersecurity Ventures riporta che nel mondo, dal 2013, 3.809.448 sono i dati rubati ogni giorno: ogni secondo vengono sottratti dati da 44 account per mezzo di attacchi informatici. Le comunicazioni quantistiche possono rivoluzionare questo settore in quanto offrono un sistema di crittografia impossibile da violare che è basato sullo scambio di “quantum bit”. Il qubit è la versione quantistica del bit classico: mentre il bit classico può assumere solo due valori distinti, 0 oppure 1, il qubit si può trovare in una “sovrapposizione” quantistica tra i due stati |0> e |1>. La QKD permette di creare una chiave di cifratura condivisa e sicura tra due utenti. La chiave è creata codificando i qubit nella polarizzazione di singoli fotoni scambiati tra essi. La sicurezza è garantita dalle controintuitive leggi della meccanica quantistica, che assicurano che nessun altro utente può avere informazioni sulla chiave. Tali leggi assicurano che non esiste la “fotocopiatrice quantistica” e che una qualunque misura sul qubit ne altera il suo stato. Se durante lo scambio di fotoni un avversario tenta di estrarre informazione, gli utenti legittimi lo scoprono poiché si misura una variazione nella polarizzazione dei fotoni ricevuti. Una volta che la chiave è stata condivisa in maniera sicura, i due utenti possono scambiarsi informazioni criptate in maniera assolutamente sicura.
Nello studio intitolato “All-fiber self-compensating polarization encoder for Quantum Key Distribution” e pubblicato dalla rivista «Optics Letters», il gruppo di ricerca Quantum Future del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Padova ha proposto un nuovo sistema per codificare efficientemente e rapidamente i qubit nella polarizzazione dei singoli fotoni. Questonuovo schema, chiamato POGNAC, permette di avere un dispositivo compatto, completamente in fibra ottica e autocompensante. I precedenti encoder infatti erano soggetti a continue derive e dovevano essere costantemente monitorati e calibrati. Il POGNAC invece, grazie al suo design basato su un interferometro ad anello in fibra permette di cancellare automaticamente queste derive, garantendogli una notevole stabilità su lunghi periodi. Sempre grazie al suo particolare design ad anello il POGNAC è stato realizzato con componenti commerciali, tipicamente usati per le comunicazioni classiche in fibra, permettendo di modulare la polarizzazione più di un miliardo di volte al secondo e al contempo semplificando il setup e riducendo i costi totali del dispositivo. Grazie a questi due fattori chiave questo schema risulta ideale per i protocolli di QKD in spazio libero e in fibra.
«Ci si aspetta che la QKD abbia un profondo impatto sulla privacy e sulla sicurezza dei cittadini – dice Giuseppe Vallone che ha guidato questa ricerca all’interno del gruppo Quantum Future coordinato dal co-autore Paolo Villoresi – Il nostro schema semplifica la generazione di qubit codificati nella polarizzazione dei fotoni. La polarizzazione è in particolare la codifica più adatta alle comunicazioni quantistiche in spazio libero, come da satellite verso Terra o tra i terminali mobili, in quanto non viene perturbata durante la propagazione». Data la compattezza, il POGNAC può essere inoltre utilizzato come trasmettitore a bordo di satelliti per estendere la distribuzione di chiave quantistica su scale globali.