La sicurezza informatica è diventata di cruciale importanza per proteggere i dati personali che ognuno di noi ogni giorno scambia su internet. Password di accesso, numeri di carte di credito e messaggi di chat vengono tutti protetti da complicati algoritmi matematici alla base dei moderni sistemi di crittografia. Tuttavia, questi sistemi non sono perfetti. Cybersecurity Ventures riporta che nel mondo, dal 2013, 3.809.448 sono i dati rubati ogni giorno: ogni secondo vengono sottratti dati da 44 account per mezzo di attacchi informatici.
Le comunicazioni quantistiche possono rivoluzionare questo settore in quanto offrono un sistema di crittografia impossibile da violare che è basato sullo scambio di “quantum bit” (o qubit). Il qubit è la versione quantistica del bit classico: mentre il bit classico può assumere solo due valori distinti, 0 oppure 1, il qubit si può trovare in una “sovrapposizione” quantistica tra i due stati |0> e |1>.
La QKD (o distribuzione quantistica di chiave) permette di creare una chiave di cifratura condivisa e sicura tra due utenti. La chiave è creata codificando i qubit nella polarizzazione (la polarizzazione della luce è legata alla direzione di oscillazione del campo elettrico) di singoli fotoni scambiati tra essi. La sicurezza è garantita dalle controintuitive leggi della meccanica quantistica, che assicurano che nessun altro utente può avere informazioni sulla chiave. Tali leggi assicurano che non esiste la “fotocopiatrice quantistica” (un qubit non può essere copiato) e che una qualunque misura sul qubit ne altera il suo stato. Se durante lo scambio di fotoni un avversario tenta di estrarre informazione, gli utenti legittimi lo scoprono poiché si misura una variazione nella polarizzazione dei fotoni ricevuti.
Una volta che la chiave è stata condivisa in maniera sicura, i due utenti possono scambiarsi informazioni criptate in maniera assolutamente sicura.
Nello studio intitolato “All-fiber self-compensating polarization encoder for Quantum Key Distribution” e pubblicato dalla rivista «Optics Letters», il gruppo di ricerca QuantumFuture del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Padova ha proposto un nuovo sistema per codificare efficientemente e rapidamente i qubit nella polarizzazione dei singoli fotoni.
Questo nuovo schema, chiamato POGNAC (da Polarisation Sagnac), permette di avere un dispositivo compatto, completamente in fibra ottica e autocompensante. I precedenti encoder infatti erano soggetti a continue derive e dovevano essere costantemente monitorati e calibrati. Il POGNAC invece, grazie al suo design basato su un interferometro ad anello (o di Sagnac) in fibra permette di cancellare automaticamente queste derive, garantendogli una notevole stabilità su lunghi periodi.
Sempre grazie al suo particolare design ad anello il POGNAC è stato realizzato con componenti commerciali, tipicamente usati per le comunicazioni classiche in fibra, permettendo di modulare la polarizzazione più di un miliardo di volte al secondo e al contempo semplificando il setup e riducendo i costi totali del dispositivo.
Grazie a questi due fattori chiave – stabilità e alta velocità di modulazione – questo schema risulta ideale per i protocolli di QKD in spazio libero e in fibra.
Ci si aspetta che la QKD abbia un profondo impatto sulla privacy e sulla sicurezza dei cittadini – dice Giuseppe Vallone che ha guidato questa ricerca all’interno del gruppo QuantumFuture coordinato dal co-autore Paolo Villoresi – Il nostro schema semplifica la generazione di qubit codificati nella polarizzazione dei fotoni. La polarizzazione è in particolare la codifica più adatta alle comunicazioni quantistiche in spazio libero, come da satellite verso Terra o tra i terminali mobili, in quanto non viene perturbata durante la propagazione.
Fattore molto importante è anche il fatto che, data la compattezza, il POGNAC può essere utilizzato come trasmettitore a bordo di satelliti per estendere la distribuzione di chiave quantistica su scale globali.
Sviluppare una rete globale
Poiché la crittografia quantistica non funziona bene su reti in fibra a lunga distanza, ora c’è una motivazione a sviluppare una rete di comunicazione quantistica basata su satellite per collegare varie reti di crittografia quantistica a terra in tutto il mondo.
Sebbene varie proprietà della luce possano essere utilizzate per creare stati quantici per la crittografia quantistica, la polarizzazione è particolarmente adatta per i collegamenti nello spazio libero perché non viene turbata dall’atmosfera e la decodifica dal ricevitore può essere eseguita senza il difficile compito di incanalare i dati in fibra monomodale.
“Il nostro obiettivo è sviluppare uno schema di crittografia quantistica da utilizzare tra un satellite e il terreno, e ove le chiavi siano generate in orbita”, ha detto Vallone. “Tuttavia, gli odierni codificatori di polarizzazione non sono ideali per l’uso nello spazio perché sono instabili, costosi e complessi. Possono persino esibire canali secondari che minano la sicurezza del protocollo.”
Un codificatore di polarizzazione veloce e stabile
Il nuovo codificatore di polarizzazione – che i ricercatori chiamano POGNAC per POlarization SaGNAC – può ruotare rapidamente la polarizzazione della luce laser in entrata grazie a un interferometro Sagnac con loop in fibra.
Questa configurazione divide la luce in due fasci le cui polarizzazioni sono ad angolo retto l’una rispetto all’altra. I fasci percorrono quindi l’anello in fibra in senso orario e antiorario. I componenti attuali potrebbero essere contenuti in un package di 15x5x5 centimetri, con un’ulteriore miniaturizzazione possibile se fossero utilizzati componenti più piccoli.
All’interno del loop in fibra, i ricercatori hanno utilizzato un modulatore elettro-ottico disponibile in commercio per cambiare la polarizzazione e creare gli stati quantistici necessari per la distribuzione della chiave quantistica. Poiché le componenti del fascio di senso orario e antiorario arrivano al modulatore in momenti diversi, possono essere modulati in modo indipendente.
I modulatori usano una tensione applicata per cambiare la fase ottica. Tuttavia, il valore assoluto dello sfasamento dipende da molti parametri che cambiano nel tempo.
“Nel POGNAC è rilevante solo lo spostamento relativo tra le due componenti di polarizzazione: questo spostamento di fase relativo corrisponde a una variazione della polarizzazione di uscita, mentre gli spostamenti dovuti a variazioni di temperatura e altri fattori sono corretti automaticamente”, ha affermato Vallone. “Ciò rende il POGNAC molto stabile ed elimina le derive di polarizzazione che hanno interessato altri dispositivi.”
I ricercatori hanno testato il loro nuovo dispositivo misurando la polarizzazione degli stati quantici generati dal POGNAC e confrontandoli con i valori attesi. Hanno misurato un tasso di errore di bit quantico intrinseco (QBER) inferiore allo 0,2%, ben al di sotto dell’1% di QBER dei tipici sistemi di distribuzione di chiavi quantiche.
“I nostri risultati mostrano che i dati possono essere codificati utilizzando la polarizzazione della luce in modo semplice ed efficiente”, ha affermato Vallone. “Siamo stati in grado di farlo utilizzando solo componenti disponibili in commercio.”
I ricercatori stanno continuando a migliorare il loro approccio e prevedono di eseguire ulteriori test per la verifica delle prestazioni del POGNAC durante la codifica di chiavi quantistiche per la crittografia.
