Crittografia quantistica

La crittografia quantistica consiste in un approccio alla crittografia che utilizza peculiari proprietà della meccanica quantistica nella fase dello scambio della chiave per evitare che questa possa essere intercettata da un attaccante senza che le due parti in gioco se ne accorgano. Si utilizza questo principio per realizzare un cifrario perfetto del tipo One Time Pad, senza il problema di dover scambiare la chiave (anche se lunga quanto il messaggio) necessariamente su un canale sicuro. La prima rete a crittografia quantistica funzionante è stata il DARPA Quantum Network.

L'enorme rivoluzione introdotta da questa tecnica sembra mettere la parola fine alla perpetua lotta tra crittografia e crittanalisi, che da sempre si rincorrono, l'una per creare cifrari sempre più complessi, l'altra per sviluppare nuove tecniche atte a decriptarli. Finora l'unico cifrario perfetto (di cui quindi è stata dimostrata matematicamente l'indecifrabilità) realizzato è quello di Vernam. Il grosso problema di questa tecnica è legato però allo scambio della chiave tra l'emettitore e il ricevente, in quanto questa deve essere lunga quanto il messaggio, casuale (random), deve rimanere segreta e può essere utilizzata solo una volta; la chiave dovrà quindi essere scambiata su un canale sicuro.

È ovvio quindi che se è possibile disporre di un canale sicuro per scambiare una chiave lunga quanto il messaggio lo stesso canale sarebbe da utilizzare per scambiare il messaggio stesso. Quest'aspetto ha reso di fatto la tecnica difficilmente realizzabile su vasta scala. L'avvento della crittografia quantistica risolve definitivamente quest'aspetto rendendo possibile cifrare messaggi in maniera tale che nessuno possa decifrarli.

Più generalmente, la crittografia quantistica studia l'utilizzo delle risorse quantistiche anche per altri fini, ad esempio per l'autenticazione.

Storia

Nel 2023 un gruppo di ricerca dell'Università di York ha realizzato una comunicazione con la crittografia quantistica a una distanza di 224 km all'interno di una rete sottomarina in fibra ottica ad alta efficienza.

Il principio di indeterminazione di Heisenberg e la crittografia quantistica

Un principio chiave alla base della crittografia quantistica è il principio di indeterminazione di Heisenberg.

Qui non è importante conoscerne i dettagli, ma è importante mettere in rilievo alcune caratteristiche delle particelle elementari che ne derivano. Un'interpretazione del principio di Heisenberg sostiene che non è possibile conoscere, simultaneamente e con precisione assoluta, alcune particolari coppie di caratteristiche di un oggetto quantistico, come ad esempio la posizione e la quantità di moto: se si cerca di misurare esattamente la posizione di un elettrone, si perde la possibilità di verificarne la quantità di moto. Se invece si misura con precisione assoluta la quantità di moto, si perdono inevitabilmente informazioni sul luogo in cui l'elettrone si trova. I fotoni, oggetti quantistici, sono quindi soggetti al principio di indeterminazione di Heisenberg.

Un appunto a tal riguardo va fatto per chiarire che queste sono limitazioni anche in linea di principio e quindi sussistono, per quanto possa essere buono l'apparato di misura. Secondo la meccanica quantistica, per quante tecniche nuove e più precise si possano sviluppare per eseguire queste misure, il limite non è concettualmente eliminabile.

Applicazione

Questa caratteristica, propria di ogni sistema su scala quantistica, può essere utilizzata per valutare se un sistema di cui si conosce lo stato è stato misurato (quindi osservato) da qualcuno. Il sistema quantistico rappresenta quindi la chiave crittografica, mentre l'osservatore sarebbe un eventuale attaccante che utilizza un attacco del tipo man in the middle.

Infatti in questo tipo di attacco crittoanalitico, l'attaccante s'inserisce tra l'emettitore e il ricevitore del messaggio intercettando lo scambio della chiave e riuscendo quindi successivamente a decodificare ogni messaggio codificato con essa.

Realizzando però una "chiave quantistica" (cioè realizzata da elementi che rispondono alle leggi della meccanica quantistica come i fotoni) ciò risulterebbe impossibile, perché l'attaccante modificherebbe inevitabilmente la chiave, oltretutto in maniera casuale quindi incontrollabile e sarebbe certamente rilevato. Entrando un po' più nel dettaglio, il problema da parte dei due interlocutori, che da questo momento chiameremo Alice (A) e Bob (B), è quello di riuscire a creare una chiave quantistica comune ad entrambi, realizzata in un sistema binario. L'aspetto più teorico della creazione di una chiave e della sua trasmissione è stato risolto da un protocollo che verrà qui analizzato.