Crittografia quantistica ad alta velocità e sicurezza sul web: nuovo studio

I costanti progressi registrati dai computer quantistici devono fare i conti con la sicurezza informatica: lo sviluppo di una crittografia quantistica a prova di hacker è la prossima sfida, la più urgente.

Per far fronte alla futura minaccia dei cyber-criminali, alcuni ricercatori stanno sfruttando le stesse strane proprietà che muovono i computer quantistici allo scopo di creare forme teoriche di crittografia dei dati potenzialmente inviolabili.

Queste tecniche rappresenterebbero un salto in avanti per l’uso su vasta scala grazie ad un nuovo sistema sviluppato dagli scienziati della Duke University, Ohio State University e Oak Ridge National Laboratory.

Crittografia quantistica: strana e possibile

Si tratta di un sistema capace di creare e distribuire codici di crittografia a velocità di megabit al secondo, ovvero da 5 a 10 volte più veloce rispetto ai metodi esistenti, al pari delle attuali velocità di Internet quando si eseguono più sistemi contemporaneamente.

I risultati di questo studio sono apparsi online il 24 novembre su Science Advances.

Questo nuovo sistema ha dimostrato che la tecnica è al sicuro dagli attacchi comuni, anche in relazione a  difetti dei dispositivi che potrebbero rischiare di aprire perdite.

“Ora, siamo in grado di disporre di un computer quantico funzionante, potenzialmente capace di iniziare a violare i codici crittografici esistenti nel prossimo futuro” ha dichiarato Daniel Gauthier, professore di fisica presso l’Ohio State University.

Tentare di proteggere Internet sviluppando diverse tecniche utilizzabili è la priorità assoluta.

Per un hacker, le nostre informazioni che viaggiano online (acquisti, transazioni bancarie, cartelle cliniche) appaiono incomprensibili per via di cifrari chiamati ‘chiavi di crittografia’. I dati personali inviati online vengono criptati usando uno di questi tasti e, poi, decodificati dal ricevitore usando la stessa chiave.

Per dar modo al sistema di funzionare, entrambe le parti devono avere accesso alla stessa chiave e devono mantenerla segreta.

Quantum key distribution: sfrutta un principio essenziale della fisica quantistica

La cosiddetta QKD (Quantum key distribution), la distribuzione quantistica delle chiavi, sfrutta uno dei principi fondamentali della meccanica quantistica: la misurazione di piccoli frammenti di materia come elettroni o fotoni modifica automaticamente le loro proprietà. La QKD sfrutta proprio questo strano principio per scambiare le chiavi in ​​modo da avvisare immediatamente entrambe le parti per un’eventuale violazione della sicurezza.

La QKD è stata teorizzata, la prima volta, nel 1984 ed implementata poco dopo, ma stanno arrivando soltanto ora le tecnologie a supporto per un uso su vasta scala.

In Europa, le aziende vendono attualmente sistemi laser per QKD; in un evento pubblicizzato la scorsa estate, la Cina ha utilizzato un satellite per inviare una chiave quantistica a due stazioni terrestri situate a 1200 km di distanza.

Il nuovo sistema di crittografia quantistica sperimentato di recente fa di più.

Illustrazione di un dispositivo di comunicazione quantistica in grado di trasmettere video criptati. Credit: Duke University

Il nuovo sistema veloce grazie ad un trucco

Il problema di base è che molti dei sistemi attuali – come riferisce Nurul Taimur (laureato in fisica al Duke) – possono trasmettere le chiavi solo a frequenze relativamente basse (da decine a centinaia di kilobit al secondo), troppo lente per gran parte degli utilizzi pratici su Internet.

Con questi numeri, i sistemi di crittografia quantistica non possono supportare nessuna delle attività quotidiane come, ad esempio, ricevere una telefonata crittografata oppure uno streaming video.

Un trasmettitore chiave, solitamente, utilizza un laser indebolito per codificare informazioni su singoli fotoni di luce: i ricercatori hanno trovato il modo di riunire più informazioni su ciascun fotone velocizzando la tecnica.

Regolando il tempo in cui il fotone viene rilasciato ed una sua proprietà chiamata ‘fase’, il nuovo sistema può codificare due bit di dati per fotone (anziché uno solo). Grazie a questo trucco, abbinato a rilevatori ad alta velocità sviluppati da un altro laureato ed un professore di ingegneria elettrica e informatica della Duke University, il sistema è in grado di trasmettere chiavi da 5 a 10 volte più velocemente rispetto ad altri metodi attuali.

 

Alla ricerca del QKD perfettamente sicuro

Un QKD perfettamente sicuro richiede attrezzature perfette. Solo in questo modo ogni tentativo di hackerare uno scambio di chiavi lascerebbe errori sulla trasmissione facilmente individuabili dal ricevitore. Il punto è che, al momento, le implementazioni realistiche di QKD avvengono con l’uso di attrezzature imperfette: tali imperfezioni aprono le falle che gli hacker possono sfruttare.

I ricercatori di questo nuovo sistema hanno individuato accuratamente i limiti di ogni pezzo di equipaggiamento usato ed hanno lavorato per integrare questi difetti sperimentali nella teoria. Hanno fatto questo per poter garantire il massimo della sicurezza ed inviolabilità del sistema da qualsiasi attacco.

Il trasmettitore, in particolare, richiede l’utilizzo di alcune parti speciali, ma tutti gli altri componenti sono attualmente disponibili in commercio. Le chiavi di crittografia quantistica codificate nei fotoni di luce possono essere inviate su linee di fibre ottiche esistenti rendendo relativamente semplice l’integrazione del trasmettitore e del ricevitore nell’attuale infrastruttura Internet.

Tutte queste apparecchiature – a parte i rilevatori a singolo fotone – esistono nel settore delle telecomunicazioni: con un po’ di ingegneria, i giovani ricercatori potrebbero montare l’intero trasmettitore e ricevitore in una scatola grande quanto la CPU di un computer.

Fonte: Phys.org