Cos'è La Crittografia Quantistica? Come Funziona, Sicurezza e Modello 4D

La crittografia quantistica si basa sul principio d'indeterminazione di Heinsenberg: non si possono conoscere nello stesso momento posizione e velocità (in realtà quantità di moto) della particella.
Quanto più precisamente conoscerò uno, tanto maggiore sarà l'incertezza sull'altro parametro.
Gli sviluppi della Fisica quantistica rendono, infatti, teoricamente possibile la creazione di un
computer di tipo completamente diverso e innovativo rispetto a quelli classici, il cosiddetto
computer quantistico.
Se realizzato in pratica, sarebbe in grado di effettuare in tempo polinomiale calcoli svolti da un computer classico in tempo esponenziale. Questo renderebbe vulnerabile ogni attuale sistema crittografico, mettendo in serio pericolo sistemi di sicurezza civili, militari, bancari etc.
Pur tuttavia, le stesse idee su cui poggia il concetto di computer quantistico portano a concepire e
realizzare sistemi crittografici quantistici assolutamente inattaccabili, anche da un eventuale
computer quantistico, con la sorprendente capacità di scoprire se eventuali malintenzionati hanno tentato di intromettersi abusivamente in una comunicazione riservata.
Questa Fisica parte dall'osservazione che le leggi della Fisica prevalentemente deterministiche, valide per la spiegazione dei fenomeni macroscopici, non sembrano potersi applicare con successo ai fenomeni microscopici.
Già negli anni '70 i fisici si chiedevano se fosse possibile utilizzare le teorie che descrivono le particelle elementari, atomiche e sub-atomiche, cioè la Meccanica Quantistica e la Teoria dei Campi, per realizzare direttamente qualcosa di nuovo e allo stesso tempo tecnologico.

Come detto in precedenza, qui se si osserva una particella sconosciuta, si modificano sempre alcune delle sue proprietà: non è possibile una osservazione senza una interazione e la modifica dello stato della particella sconosciuta.
Ovviamente, nell'esperienza quotidiana le cose sono ben diverse: possiamo osservare quanto vogliamo un oggetto sconosciuto senza modificarlo affatto.


POTENZA DI UN ELABORATORE QUANTISTICO
Un elaboratore quantistico, oggi sarebbe in grado quasi istantaneamente di ottenere una chiave pubblica di qualunque lunghezza, la corrispondente chiave privata utilizzata dagli algoritmi Asimmetrici quali RSA.
Questi algoritmi sono utilizzati oggi per l'identificazione delle parti e la creazione e scambio delle chiavi per cifrare le connessioni.
Poterli "decifrare" vorrebbe dire rendere del tutto insicuri smart-card, firme e certificati digitali, navigazione in internet, e-mail cifrate.


CRITTOGRAFIA QUANTISTICA
La crittografia quantistica permette di conoscere con certezza se qualcuno ha tentato di inserirsi in una comunicazione quantica con un attacco del tipo man in the middle.
Quando due nodi di una rete quantistica provano a mettersi in contatto, prima di tutto scambiano tra di loro chiavi crittografiche private, generate e trasmesse secondo il principio della distribuzione delle chiavi quantistiche.

Ciò permette di avere una comunicazione sicura e protetta anche se avviene su canali non cifrati: un'eventuale interferenza provocata da un elemento esterno al binomio di partenza, infatti, finirebbe con il "distruggere" la stessa chiave crittografica rendendo così illeggibili dati e informazioni trasmessi.
Sfruttando particelle che rispondono alle regole della Fisica Quantistica (tipicamente il fenomeno dell'entanglement quantistico, utilizzato anche teletrasportare particelle microscopiche) come i fotoni, ad esempio, si ha la certezza che il sistema di comunicazione non sia stato perturbato e che, dunque, nessuno sia riuscito a intercettare la chiave generata in maniera casuale e univoca in fase di partenza.


IL CASO DELLA CINA: ESPERIMENTO QUESS
La squadra cinese tempo fa trasmise la chiave quantistica segreta dall’osservatorio astronomico di Xinglong al satellite Micius, che orbita a 500 chilometri dalla Terra ed è stato creato e messo in orbita proprio per questo scopo.
Il satellite ha poi trasportato la chiave fino a Vienna, dove è stata trasmessa al team di ricercatori austriaci, che così hanno potuto iniziare la videoconferenza con la Cina attraverso internet.
La chiave di crittografia usata si basa su uno schema chiamato one-time pad (OTP), che richiede l’utilizzo di una chiave pre-condivisa tra i due soggetti della comunicazione.
Grazie ai principi della crittografia quantistica, una chiave creata con questa tecnica rende impossibile che qualcuno intercetti la comunicazione senza alterarla.

Quindi, qualora una chiave dovesse venire intercettata, invaliderebbe il messaggio, rendendone impossibile la lettura sia a chi l’ha sottratta che al destinatario, che capirebbe che qualcuno ha provato a frapporsi tra lui e l’altro soggetto legittimo della comunicazione.
Nome in codice dell'esperimento è Quess (Quantum Experiments At Space Scale).
Le chiavi crittografiche utilizzate normalmente sono basate su funzioni matematiche che le rendono vulnerabili ad attacchi quantistici.
Ed è proprio per far fronte a queste esigenze che l’Europa sta a sua volta aumentando il suo impegno nella ricerca nel campo delle comunicazioni quantistiche.


CRITTOGRAFIA QUANTISTICA 4D
La criptazione quantica 4D è un'applicazione particolare della crittografia quantistica appena descritta.
I ricercatori dell'Università di Ottawa hanno trasmesso i fotoni con una tecnica chiamata high-dimensional quantum encryption, in grado di "comprimere" il doppio dei dati in un singolo fotone. Così, se per il principio di indeterminazione di Heisenberg già citato un singolo fotone può assumere contemporaneamente il valore di "0" e "1", con la nuova tecnica degli scienziati canadesi la particella luminosa conterrà al proprio interno il doppio delle informazioni (convenzionalmente "00", "01", "10" e "11").
Questa tecnica può trasportare il doppio dell'informazione rispetto a quella di una rete quantica normale ed offre livelli di sicurezza ancora più elevati essendo meno soggetta a fattori ambientali (come le turbolenze) o interferenze elettriche.

Questa tecnologia potrebbe ben presto essere utilizzata per consentire comunicazioni sicure tra satelliti e centri di controllo a terra, in località in cui non è possibile usare reti internet canoniche tipo fibra ottico o per implementare sistemi di comunicazione crittografata a bordo di oggetti in volo quali aerei o elicotteri.