La fisica quantistica ha dimostrato che il teletrasporto è possibile in condizioni molto specifiche: per sistemi molto piccoli, come la luce, e se sono ben “protetti”. Il teletrasporto quantistico è noto teoricamente dall’inizio del 20° secolo, è stato dimostrato sperimentalmente nella sua seconda metà, e oggi questo fenomeno viene utilizzato per applicazioni molto concrete… e in particolare per sviluppare quello che viene chiamato “Quantum Internet”.
Le nostre attuali telecomunicazioni, inclusa Internet, si basano sullo scambio di informazioni codificate, che transitano, spesso via luce, attraverso fibre ottiche o all’aria aperta tra ripetitori di antenne e telefoni e fino ai satelliti in orbita intorno alla terra. Una Internet quantistica sfrutterebbe le proprietà quantistiche della luce, e in particolare il fatto che si possono “intrecciare” le particelle di luce, il che rende possibile il “teletrasporto” delle informazioni trasportate da queste particelle. Queste proprietà renderebbero possibile lo scambio di informazioni in modo crittografato e a prova di manomissione, che ha applicazioni in crittografia e quindi per la sicurezza informatica.
Le comunicazioni quantistiche crittografate possono attualmente essere mantenute su una distanza massima di cento chilometri, che è ancora un po’ breve per le telecomunicazioni globali… ma le soluzioni tecniche sono in fase di sviluppo.
Cripta le tue comunicazioni
Al giorno d’oggi esistono diversi protocolli di crittografia quantistica e diverse aziende e start-up si trovano in questa nicchia ma in un mercato in crescita.
L’obiettivo finale della crittografia è crittografare o nascondere un messaggio che dovrebbe essere letto solo dalla persona che abbiamo in mente, chiamiamo quella persona Bob. Per questo, il mittente, chiamato Alice, deve generare una chiave crittografata che può combinare con il suo messaggio per nasconderlo al resto del mondo. Bob, dal canto suo, deve essere l’unico ad avere questa stessa chiave per poter decifrare il messaggio (farà infatti l’operazione opposta alla cifratura di Alice per decifrare il messaggio).
Iniziamo codificando il messaggio “Vai a prendere il pane per favore” con una serie di 1 e 0, questa è la codifica binaria. Successivamente il messaggio viene cifrato generando in parallelo ad esso una chiave cifrata composta anch’essa da 1 e 0, e che andrà abbinata al messaggio. Ma questo sistema di crittografia ha diversi difetti se vogliamo che sia sicuro. Prima di tutto, devi generare una chiave che sia lunga quanto il messaggio (in termini di 1 e 0), nel modo più casuale possibile – in modo che tu non possa prevederlo – il che è possibile, ma a un prezzo economico ed energetico molto alto.
Infatti, queste chiavi che usiamo non sono del tutto casuali. E soprattutto vengono riutilizzati in tutto o in parte, il che solleva seri problemi di sicurezza. Il secondo problema tecnico con questo metodo è che presuppone che la chiave sia condivisa in modo sicuro tra Alice e Bob a un certo punto. Come minimo, ciò implica che devono incontrarsi di tanto in tanto per darsi reciprocamente una serie di chiavi crittografate per i loro scambi futuri. Esistono diversi modi per crittografare i messaggi, ma in generale tutti gli attuali sistemi di crittografia/decrittografia convenzionali soffriranno di questi inconvenienti.
È qui che la crittografia quantistica può fornire soluzioni.
Dall’entanglement quantistico alla distribuzione di chiavi cifrate
L’entanglement quantistico è una forma di “super-correlazione” tra due sistemi quantistici.
Prendiamo delle monete truccate in modo tale che se lanciamo queste due monete contemporaneamente, il risultato sarà sempre testa/testa. Questa è una correlazione.
Supponiamo ora che le monete non siano truccate. Alice e Bob ne hanno una ciascuno. Quando lanciano queste monete, ognuno troverà, a caso, testa o croce. I lanci dei due pezzi non sono più correlati. C’è una probabilità del 25% di colpire testa/croce, croce/croce, croce/croce, testa/croce: i quattro risultati sono equiprobabili, a differenza dell’esperimento di correlazione dove la probabilità di trovare faccia/faccia è del 100% e 0% per le altre opzioni.
D’altra parte, se i due pezzi sono intrecciati l’uno con l’altro, non sono truccati per atterrare sempre a testa in su, ma per atterrare sempre dalla stessa parte dell’altro pezzo. Alice ha una probabilità del 50% di colpire testa e il 50% di colpire croce; lo stesso vale per Bob. Ma quando Alice e Bob confrontano i loro risultati su un gran numero di lanci di monete, si renderanno conto che i risultati sono perfettamente correlati: se la moneta di Alice esce croce, anche quella di Bob e viceversa (in pratica, i sistemi quantistici possono essere preparati per essere correlati – testa/croce – o anticorrelati – testa/croce – ma l’idea è la stessa).
La cosa più impressionante (e controintuitiva) è che questa proprietà è vera indipendentemente dalla distanza tra Alice e Bob – ed è questo fenomeno “non locale” che è all’origine del “teletrasporto” delle informazioni.’)
L’entanglement quantistico può essere utilizzato per fungere da chiave di crittografia. Condividendo un sistema quantistico entangled, solo Alice e Bob hanno correlazioni perfette tra le loro parti: sono sicuri che questa chiave, unita a un messaggio, possa essere decifrata solo da loro.
È quindi la natura quantistica della luce, che liberamente e naturalmente garantisce la sicurezza del sistema di scambio.
Il fotone come un po’ di informazione
Possiamo creare stati quantistici su un fotone, questo granello di luce che costituisce la luce e che è intrinsecamente quantistico – nel campo dell’informatica quantistica parliamo di “codifica di bit quantistici” (o qubit) di informazioni. In effetti, i fotoni possono trovarsi in due stati di polarizzazione, che svolgono il ruolo di “code” e “code” delle monete di Alice e Bob.
Questo è esattamente ciò che John Clauser, negli anni ’70, e Alain Aspect, negli anni ’80, hanno studiato con i loro team: l’entanglement di “polarizzazione” di coppie di fotoni emessi da atomi che si trovavano in una camera nel vuoto, utilizzando quello che è noto come cascata atomica di atomi di calcio. Tuttavia, questo metodo per produrre coppie di fotoni non è semplice (da qui il premio Nobel).
Anton Zeilinger e il suo team sono poi riusciti a creare coppie di fotoni entangled in polarizzazione, ma utilizzando le proprietà dell’ottica non lineare. Anche questo esperimento non è semplice, ma è più facile da realizzare e ha quindi permesso lo sviluppo di applicazioni molto più rapide, soprattutto nelle comunicazioni quantistiche (da qui anche il Premio Nobel).
Queste fonti di fotoni entangled sono essenziali per Alice e Bob per scambiarsi messaggi.
Ancora molto prima dell’internet quantistico
Ma chiaramente, anche se ci sono aziende che vendono sistemi di crittografia quantistica, anche se tutto sta accelerando rapidamente, il sogno di un Internet quantistico non è ancora per domani. Molti ostacoli rimangono sulla strada.
Ad esempio, oggi le sorgenti più sofisticate consentono al massimo di generare diversi milioni di coppie di fotoni al secondo, che è comunque mille volte inferiore a quello che servirebbe per poter realmente dispiegare questo dispositivo quantistico.
Inoltre, l’entanglement quantistico è un fenomeno fragile, che limita sempre la distanza oltre la quale può essere mantenuto e quindi crittografare le comunicazioni (con una distanza massima di un centinaio di chilometri).
Proprio come abbiamo bisogno di antenne relè per trasmettere i nostri messaggi a grandi distanze, Alice e Bob useranno “ripetitori quantistici” per garantire che il segnale non perda intensità e memorizzeranno le informazioni in “memorie quantistiche” – che sono anche oggetti molto difficili da fabbricare e controllare.
Tutto ciò non fa che rafforzare l’idea che le tecnologie quantistiche rimangono affascinanti e si espanderanno nei prossimi decenni, proprio come Internet e la fibra ottica si sono sviluppate negli ultimi quarant’anni.
Autore
Christophe Couteau, Università di Tecnologia di Troyes (UTT)
