TECNOLOGIA E SICUREZZA

Crittografia quantistica: cos’è e come usarla per garantire massima protezione ai dati sensibili

Le organizzazioni elaborano quantità sempre più ingenti di dati sensibili, il che accresce oggigiorno il bisogno di un canale di comunicazione crittografato in grado di garantire trasmissioni effettivamente sicure: la soluzione potrebbe essere la crittografia quantistica. Ecco perché

12 Feb 2020
V
Massimo Valeri

Senior Consultant in ambito Risk Management & Data Protection

Il miglioramento della forza della crittografia rimane un obiettivo di molti esperti nel settore della sicurezza informatica: man mano che i computer diventano più intelligenti e veloci, i codici diventano infatti più facili da decodificare: ecco perché urge un meccanismo di crittografia più avanzato, come quello promesso dalla crittografia quantistica.

Questo meccanismo è basato sulle leggi della meccanica quantistica, in virtù delle quali due utenti di un canale di comunicazione comune possono generare stringhe di informazioni condivise e segrete, utilizzabili come chiavi segrete per la crittografia standard, al fine di garantire comunicazioni sicure.

La proprietà più singolare della crittografia quantistica non è solo la sua capacità di proteggere le comunicazioni, ma anche quella di permettere il rilevamento di qualunque terza parte che cercasse di penetrare nella trasmissione e acquisire la conoscenza della chiave segreta.

Metodi crittografici più forti: il “quantum computing”

La crittografia è lo studio e l’esercizio di tecniche volte a proteggere la comunicazione e i dati in presenza di avversari, in modo che solo i destinatari previsti di una certa comunicazione siano in grado di decodificare il messaggio contenuto.

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La crittografia moderna è un approccio matematicamente molto più avanzato dei primi tentativi storici, effettuati per trasposizione (mescolando i caratteri di un messaggio in un nuovo ordine), o per sostituzione (scambiando un carattere con un altro, secondo una regola specifica).

Oggi la comunicazione ha acquisito trasversalmente un ruolo sempre più centrale nella vita di ognuno di noi; nell’era di Internet, miliardi di informazioni sono in circolazione sulla rete. Per questi motivi si è reso ancor più necessario lo sviluppo di sofisticati sistemi capaci di garantire un elevato livello di confidenzialità di alcuni di questi dati. La cifratura informatica, come la conosciamo oggi, è quindi una materia in costante evoluzione.

Così, se oggi un computer convenzionale impiega migliaia di anni per intercettare un messaggio crittografato e consideriamo quindi sicuro il suo meccanismo crittografico, questo scenario sarà ben presto destinato a cambiare alla luce dell’informatica quantistica.

Il calcolo quantistico consente di eseguire in parallelo iterazioni di determinati tipi di calcoli complessi, molto più velocemente di un computer classico.

Molti ricercatori, negli ultimi anni, hanno dimostrato come il calcolo quantistico (cosiddetto “quantum computing”) potrebbe mettere a rischio ed indebolire in modo significativo gli attuali sistemi di crittografia. Ad esempio, i computer quantistici possono calcolare i fattori primi di grandi numeri in modo estremamente rapido.

E questa non è propriamente una buona notizia dal punto di vista della sicurezza informatica, in quanto la fattorizzazione di un numero è una pietra miliare della crittografia moderna.

I computer quantistici renderanno quindi presto inutili alcune delle migliori tecniche crittografiche odierne, rompendo chiavi complesse in pochi secondi. Una delle applicazioni più note del calcolo quantistico è la sua capacità di decifrare un algoritmo RSA, che è il fulcro della moderna comunicazione sicura su Internet.

Il motivo per cui la ricerca nel campo della crittografia quantistica risulterà assolutamente cruciale nel prossimo futuro sta nel fatto che garantirebbe comunicazioni sicure anche nel caso in cui l’eventuale hacker disponesse delle potenzialità di un computer quantistico.

La crittografia quantistica si pone quindi ormai come uno strumento indispensabile per quei protocolli crittografici che ambiscano a difendersi con successo dagli stessi computer quantistici. Dal momento che la protezione crittografica basata su chiavi tradizionali sarà messa in crisi dall’avvento dei computer quantistici, la scienza sta lavorando alacremente per sviluppare metodi di comunicazione e di crittografia a prova di questi computer.

Come funziona la crittografia quantistica

Alla base del concetto di comunicazione quantistica c’è il fotone, un quanto di luce o qubit, che può essere usato per trasportare stringhe di informazioni tra le parti.

Più precisamente, la crittografia quantistica si basa sulla rotazione di queste particelle di luce, per trasmettere in modo sicuro al destinatario la chiave quantistica, una stringa di bit di informazioni.

Le chiavi quantistiche sono lunghe stringhe numeriche utilizzate per aprire file crittografati proprio come quelle utilizzate nei computer moderni, ma sono codificate tramite lo stato fisico delle particelle quantistiche. Ciò significa che sono protette non solo dai limiti del computer, ma anche dalle leggi della fisica. Infatti, come cercheremo di spiegare, le chiavi quantistiche non possono essere copiate.

Tecnicamente, il funzionamento del computer quantistico si basa su due leggi della meccanica quantistica:

  1. il principio di sovrapposizione: nella fisica quantistica, la sovrapposizione di stati rappresenta la possibilità per le particelle di trovarsi contemporaneamente in più stati diversi. Questa legge postula l’esistenza simultanea di tutti gli stati possibili di una particella prima della sua misurazione. Ciò significa che, prima che venga misurato, un qubit può trovarsi in uno stato pari sia a 1 sia a 0 simultaneamente, finché non venga “letto” e codificato. Solo con la misurazione è possibile definire in modo preciso la proprietà del qubit, ma è proprio questo uno degli aspetti più critici che rende il computer quantistico difficilmente disponibile su larga scala. Le particelle sono infatti instabili e la loro misurazione è molto complessa. Prima che avvenga la misurazione, quindi, gli stati dei qubit co-esistono e non sono chiaramente definiti;
  2. la correlazione quantistica (“entanglement”): si tratta della correlazione esistente tra due qubit. Secondo questo principio, è possibile conoscere lo stato di una particella misurando l’altra con la quale presenta la correlazione.

Ciò premesso, in una comunicazione quantistica, il mittente polarizza la rotazione di ciascun fotone selezionando casualmente uno dei due filtri di polarizzazione disponibili (X o +) e li invia al destinatario, utilizzando un canale in fibra ottica. Il mittente annota inoltre la sequenza dei filtri utilizzati per ciascun fotone.

All’altro capo della comunicazione, senza la conoscenza di quale filtro venga utilizzato per ciascun fotone, il destinatario inizia casualmente a misurare i fotoni con uno dei due filtri disponibili. Solo se questi utilizza il filtro corretto, la polarizzazione degli spin del fotone rimane intatta. Il destinatario annota quindi la sequenza dei filtri utilizzati per la misurazione.

Dopo questa trasmissione, sia il destinatario che il mittente hanno quindi una conversazione su un canale non crittografato in cui il destinatario indica la sequenza dei filtri utilizzati e il mittente indica quali filtri sono corretti.

I fotoni corrispondenti al corretto utilizzo del filtro vengono mantenuti e i loro spin corrispondenti diventano la chiave utilizzata per la crittografia standard. Poiché la conversazione copre solo il filtro utilizzato all’estremità del destinatario e non l’esatta rotazione del fotone, non è tecnicamente possibile che un terzo possa inserirsi nella comunicazione, intercettando la chiave.

Un vantaggio certo della crittografia quantistica sta quindi nel rilevamento di ogni attacco “man in the middle” che cercasse di penetrare nel canale in fibra ottica e di acquisire conoscenza della chiave trasmessa.

A causa delle leggi e delle caratteristiche stesse della fisica quantistica, i singoli fotoni non possono infatti essere copiati o intercettati senza che le parti su entrambi i lati della comunicazione se ne accorgano.

Qualsiasi osservazione fatta da un terzo disturberebbe la sequenza di spin della stringa di fotoni, a causa del fenomeno dell’entanglement quantistico, descritto in precedenza. Pertanto, le parti comunicanti non potrebbero non venire a conoscenza di una presenza esterna.

In altri termini, la fisica quantistica permette di scoprire se qualcuno ha provato a intercettare le chiavi e di capire se un messaggio è stato ascoltato oppure no, in quanto le particelle quantistiche che compongono il messaggio non possono essere misurate senza distruggere le informazioni che contengono.

Quindi, se nella trasmissione i fotoni che portano il messaggio arrivano nello stesso stato in cui sono stati inviati, ciò significa che un hacker non ha sicuramente estratto le informazioni che contengono. Ma se arrivano in uno stato diverso, ciò vuol dire che le informazioni sono state intercettate e il messaggio non è più sicuro. A questo punto, gli utenti possono decidere se fermare la comunicazione o ripetere la procedura finché non sono sicuri.

Applicazioni moderne della crittografia quantistica

Se potessimo disporre di un’intera rete Internet crittografata secondo il meccanismo quantistico, le nostre informazioni più sensibili verrebbero trasmesse in modo estremamente sicuro. Ciò consentirebbe di raggiungere quello scenario ideale, da tutti desiderato, di una connessione Internet rapida e sicura allo stesso tempo.

Ecco perché molti Stati del mondo si sono già adoperati per attuare alcune delle svariate applicazioni che il meccanismo crittografico potrebbe portare in dote.

Proprio di recente, i funzionari elettorali nazionali svizzeri hanno utilizzato la crittografia quantistica per garantire il collegamento di rete tra il loro centro di immissione dei dati di voto e il deposito del governo in cui erano archiviati i voti.

Un altro esempio attuale è il lavoro svolto per affrontare la crescente preoccupazione delle comunicazioni sicure tra astronauti e satelliti. QuintessenceLabs sta lavorando ad un progetto per la National Aeronautics and Space Administration statunitense che sfrutterà le tecniche crittografiche quantistiche per garantire che le persone possano comunicare in sicurezza dalla Terra con satelliti e astronauti.

Non da ultimo, i ricercatori dell’Istituto nazionale di ottica del Cnr e del Lens di Firenze, dell’Inrim di Torino e dell’Università Tecnica della Danimarca hanno recentemente testato con successo un sistema sicuro di comunicazione quantistica utilizzando come canale di trasmissione una fibra ottica installata nell’area metropolitana di Firenze. Si è trattato di un primo passo per la futura realizzazione della rete italiana di comunicazione quantistica. La dorsale dell’esperimento potrà infatti essere utilizzata per la distribuzione quantistica delle chiavi necessarie a proteggere le comunicazioni riservate, su un canale privato a prova di intercettazione. In accordo con la teoria di distribuzione quantistica, la tecnica utilizzata nel corso del test ha permesso di produrre e distribuire la chiave utilizzabile successivamente con qualsiasi algoritmo di cifratura e decifratura, per trasmettere il messaggio su un canale di comunicazione standard.

Il test effettuato lascia quindi ben sperare nell’opportunità di creare una rete italiana capace di garantire la privacy degli utenti e la sicurezza dei dati trasmessi, perché costituisce la simulazione di una comunicazione basata sulle leggi fisiche della meccanica quantistica, le quali governano la trasmissione dei segnali deboli dentro le fibre ottiche.

Le prossime sfide da affrontare

Poiché la tecnologia è relativamente nuova, richiede un’infrastruttura specifica da costruire, per facilitare le comunicazioni. Normalmente, il calcolo quantistico richiede la presenza di un canale basato su fibra ottica, che è costoso da costruire. Inoltre, la trasmissione del fotone che utilizza la chiave richiede un canale dedicato di alta qualità.

Finora, poi, la crittografia quantistica è stata eseguita con successo a delle distanze chilometriche ancora “limitate”, fatta eccezione per alcuni test, e i tassi di errore sono stati comunque relativamente significativi. In ogni caso, anche riuscendo ad aumentare la distanza massima della trasmissione della chiave quantistica, è improbabile, al momento, che questa possa disporre di una connessione interamente basata su fibra.

Attualmente, sono già disponibili sistemi basati su pochi qubit ma la sfida della ricerca è sviluppare veri e propri sistemi di Quantum Computing, basati su centinaia o migliaia di qubit, condizione che permetterebbe un vero “salto quantico” nella qualità di calcoli elaborabile da simili computer.

Grandi aziende tecnologiche come Microsoft, IBM e Intel stanno avidamente perseguendo sviluppi nel campo dell’informatica quantistica. A questo proposito, Google ha recentemente annunciato di aver realizzato una svolta nell’informatica quantistica e di aver sviluppato un processore quantico sperimentale, chiamato Sycamore, che ha richiesto solo pochi minuti per completare un calcolo che il supercomputer più veloce del mondo oggi disponibile compie solo in migliaia di anni.

IBM ha contestato l’affermazione di Google di aver raggiunto la “supremazia quantistica”, affermando che il proprio supercomputer, chiamato Summit, potrebbe effettivamente eseguire il calcolo in meno tempo.

La ricerca della supremazia quantistica rischia dunque di oscurare i presumibili vantaggi che un giorno potrebbe portare allo sviluppo di migliori sistemi di intelligenza artificiale e rischia di diventare un fertile terreno di scontro economico e politico fra le maggiori potenze tecnologiche del mondo, in grado, peraltro, di minare la crittografia che protegge oggi alcuni dei segreti più strettamente custoditi del mondo.

Conclusioni

La crittografia quantistica non è più una teoria sulla carta. Piuttosto, è una tecnologia già esistente nella pratica, seppur con delle imperfezioni. L’emergere della crittografia quantistica promette di rivoluzionare il modo in cui le informazioni sensibili verranno comunicate. Invece di fare affidamento sullo stato attuale degli algoritmi matematici e della potenza di calcolo, la sicurezza della trasmissione sarebbe regolata dalle leggi della fisica.

In virtù di quest’ultime, questa tecnologia di crittografia promette di essere impenetrabile e dovrebbe distribuire in modo matematicamente sicuro le informazioni, codificandole su stati quantistici della luce e consentendo di rivelare una potenziale intrusione grazie ai principi fondamentali della fisica quantistica, fra i quali il principio di indeterminazione di Heisenberg.

I dispositivi e le infrastrutture che supportano questa tecnologia saranno pertanto continuamente migliorati ed è presumibile che, entro i prossimi anni, questi sistemi diventino un metodo tradizionale per crittografare alcuni dei dati più preziosi detenuti da governi e industrie.

In tal senso, l’Europa si sta gradualmente dotando di un’innovativa rete per le comunicazioni quantistiche, chiamata EuroQCI, che combina l’utilizzo delle fibre ottiche commerciali con quello di satelliti dedicati. L’Italia è fra i paesi fondatori della EuroQCI e può realmente ambire anch’essa ad avere un ruolo fondamentale nello sviluppo futuro delle tecnologie quantistiche su fibra ottica.

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