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lunedì, 5 Dicembre 2022

Comunicazione quantistica: il futuro della sicurezza delle informazioni

10.05.2021 – 08.50 – La sicurezza delle comunicazioni è un aspetto indispensabile per garantire l’autenticità, l’integrità e la confidenzialità delle informazioni che vengono scambiate quotidianamente attraverso la rete. Internet, infatti, rappresenta una grande opportunità che facilita lo scambio di informazioni ma allo stesso tempo è continuamente minacciata da un numero sempre più crescente di attacchi informatici.
Fin dai tempi più remoti, a partire dal cifrario di Cesare, la sicurezza delle informazioni è stata garantita con una tecnica matematica, la crittografia, la quale permette l’accesso alle informazioni solo a chi ne è autorizzato. Tutto ciò, avviene grazie a chiavi crittografiche condivise che abilitano gli interlocutori all’accesso alle informazioni. Solo nel XX secolo, Claude Shannon, padre della teoria dell’informazione, ha dimostrato che la crittografia garantisce la sicurezza assoluta delle informazioni se e solo se le chiavi sono completamente casuali, lunghe quanto il messaggio trasmesso e utilizzate solo una volta. Per questo motivo molto spesso in crittografia si parla di One Time Pad.

Per evitare che la confidenzialità della comunicazione sia compromessa, i sistemi di sicurezza devono garantire la distribuzione delle chiavi crittografiche ai soli utenti autorizzati. Nei sistemi moderni, lo scambio delle chiavi può avvenire secondo diverse modalità come ad esempio l’utilizzo di chiavi pubbliche (RSA) o di corrieri fidati. Purtroppo, nessuno di questi metodi si può ritenere sicuro, da un lato perché computer sempre più potenti, come i computer quantistici, o nuovi algoritmi più efficienti possono decifrare le chiavi pubbliche; dall’altro perché non possiamo avere garanzia assoluta dell’affidabilità di un corriere.

Tuttavia, il problema della distribuzione delle chiavi, secondo il paradigma di Shannon, può essere risolto dalla distribuzione quantistica delle chiavi (QKD) che propone un approccio sostanzialmente diverso da tutti i metodi correntemente utilizzati. Tale approccio consiste nell’utilizzare le leggi della meccanica quantistica, come il principio di indeterminazione di Heisenberg, per produrre una chiave segreta nota solo a due interlocutori, che può quindi essere utilizzata per cifrare e decifrare i messaggi scambiati. Ciò avviene, grazie a singoli fotoni preparati in opportuni stati quantistici (o qubit), trasmessi dall’utente al destinatario attraverso un collegamento in fibra ottica o in spazio libero. Il fatto distintivo della QKD, rispetto a qualsiasi altro sistema, è la capacità dei due utenti comunicanti di accorgersi della presenza di una potenziale intercettazione che stia cercando di copiare la chiave scambiata. Per questo motivo le comunicazioni quantistiche sono dette intrinsecamente sicure, perché la sicurezza si basa sui principi che governano il mondo dei quanti e non sulle limitate risorse computazionali necessarie per risolvere problemi matematici molto complessi.

Nel campo delle comunicazioni quantistiche, l’Italia è all’avanguardia e diversi gruppi di ricerca Italiani hanno già raggiunto risultati molto importanti. Durante la cerimonia di chiusura di ESOF2020 (EuroScience Open Forum), svoltasi a Trieste lo scorso 6 settembre 2020, il gruppo di Comunicazioni Quantistiche dell’Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-INO) insieme all’Università di Trieste e all’Università Tecnica della Danimarca (DTU) hanno presentato pubblicamente un sistema di videoconferenza criptata con QKD. La chiave di crittografia scambiata quantisticamente è stata utilizzata per una comunicazione sicura fra il Rettore dell’Università di Trieste Roberto di Lenarda, collegato dal Dipartimento dei Sistemi Informativi e l’allora Presidente del Consiglio Giuseppe Conte, che si trovava sul palco dell’Auditorium di ESOF2020 presso il Porto Vecchio di Trieste.

Visto l’interesse verso il tema della sicurezza delle informazioni e la sua rilevanza strategica, la regione Friuli Venezia Giulia ha finanziato, con il progetto Quantum FVG, la realizzazione di un’infrastruttura di trasmissione dati intrinsecamente sicura sulla rete in fibra ottica LightNet, la rete che connette tutti gli enti scientifici e accademici della regione. Questa nuova rete di comunicazione quantistica verrà realizzata anche con la collaborazione del gruppo di Comunicazioni Quantistiche del CNR-INO che ha aperto da poco un proprio laboratorio presso l’Area Science Park di Basovizza.

Nonostante l’attività del progetto Quantum FVG sia solo all’inizio, è già in programma lo sviluppo della rete quantistica di Trieste verso la sua integrazione con l’Italian Quantum Backbone, una fibra ottica che corre lungo la dorsale italiana, da Torino a Matera, realizzata dall’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) di Torino. Inoltre, la rete quantistica di Trieste potrà essere interfacciata alla rete di comunicazione quantistica mitteleuropea QUAPITAL, coordinata dall’IQOQI di Vienna e già operativa tra Vienna e Bratislava e di cui Trieste èl’unico nodo italiano.

Tutte queste iniziative sono propedeutiche alla realizzazione di una rete ben più estesa che interessa tutto il continente. Infatti, l’Europa si sta dotando di una innovativa rete per le Comunicazioni Quantistiche chiamata EuroQCI che combina l’utilizzo di fibre ottiche commerciali con quello di satelliti dedicati. In questo contesto, sarà rilevante l’apporto di Trieste, in termini di risorse e competenze già presenti sul territorio, nonché in termini di attività che verranno svolte nell’ambito del Progetto Quantum FVG e che andranno a definire nuove architetture per le reti quantistiche.

di Alessandro Zavatta

[Il Dott. Alessandro Zavatta è il coordinatore del gruppo di Comunicazione Quantistica dell’Istituto Nazionale di Ottica (CNR-INO). È ricercatore senior del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) e professore a contratto presso l’Università di Firenze. Le sue attività di ricerca rientrano nel campo emergente delle tecnologie quantistiche. I suoi interessi ricadono nel campo dell’ingegneria quantistica della luce e vanno dai test fondamentali di meccanica quantistica alla realizzazione di dispositivi ottici quantistici innovativi. Sta inoltre sviluppando nuovi sistemi di crittografia quantistica e sistemi per le future reti quantistiche. È presidente e co-fondatore della prima start-up italiana di comunicazioni quantistiche: QTI – Quantum Telecommunications Italy].

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