Peter Tucker
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La Cina ha la tecnologia quantistica per crittografare perfettamente segnali utili su distanze molto più vaste di quanto chiunque abbia mai realizzato, attraversando l'Europa e l'Asia, secondo una nuova straordinaria lettera di ricerca.
Pezzi di informazioni, o segnali, passano attraverso le case delle persone, i cieli sopra di loro e la carne dei corpi umani ogni secondo di ogni giorno. Sono segnali televisivi e radio, nonché telefonate private e file di dati.
Alcuni di questi segnali sono pubblici, ma la maggior parte sono privati, crittografati con lunghe stringhe di numeri noti (presumibilmente) solo ai mittenti e ai destinatari. Quelle chiavi sono abbastanza potenti da mantenere i segreti della società moderna: messaggi di testo civettuole, numeri di conti bancari e le password per nascondere i database. Ma sono fragili. Una persona sufficientemente determinata, che maneggi un computer sufficientemente potente, potrebbe romperli.
"Storicamente, ogni progresso nella crittografia è stato sconfitto dai progressi nella tecnologia di cracking", ha scritto in una e-mail Jian-Wei Pan, ricercatore presso l'Università di Scienza e Tecnologia della Cina e autore di questa lettera di ricerca. "La distribuzione delle chiavi quantistiche pone fine a questa battaglia".
Le chiavi quantistiche sono lunghe stringhe di numeri - chiavi per l'apertura di file crittografati proprio come quelle utilizzate nei computer moderni - ma sono codificate negli stati fisici delle particelle quantistiche. Ciò significa che sono protetti non solo dai limiti dei computer ma dalle leggi della fisica.
Le chiavi quantistiche non possono essere copiate. Possono crittografare le trasmissioni tra computer altrimenti classici. E nessuno può rubarli - una legge della meccanica quantistica afferma che una volta che una particella subatomica viene osservata, puff, viene alterata - senza allertare il mittente e il destinatario del trucco sporco. [Cos'è quello? Risposte alle tue domande di fisica]
E ora, secondo una nuova lettera che dovrebbe essere pubblicata oggi (19 gennaio) sulla rivista Physical Review Letters, le chiavi quantistiche possono viaggiare via satellite, crittografando i messaggi inviati tra città a migliaia di chilometri di distanza..
I ricercatori hanno crittografato le immagini quantistiche codificandole come stringhe di numeri in base agli stati quantistici dei fotoni e le hanno inviate a distanze fino a 4.722 miglia (7.600 chilometri) tra Pechino e Vienna, infrangendo il precedente record di 251 miglia (404 km) , ambientato anche in Cina. Quindi, per buona misura, il 29 settembre 2017, hanno tenuto una videoconferenza di 75 minuti tra i ricercatori delle due città, anch'essa crittografata tramite chiave quantistica. (Questa videoconferenza è stata annunciata in precedenza, ma i dettagli completi dell'esperimento sono stati riportati in questa nuova lettera.)
Il satellite
Questa distribuzione di chiavi quantistiche a lunga distanza è l'ennesimo risultato del satellite cinese Micius, responsabile della distruzione di numerosi record di reti quantistiche nel 2017. Micius è un potente relè e rilevatore di fotoni. Lanciato nell'orbita terrestre bassa nel 2016, utilizza i suoi sottili laser e rilevatori per inviare e ricevere pacchetti di informazioni quantistiche - fondamentalmente, informazioni sullo stato quantistico di un fotone - attraverso vaste distese di spazio e atmosfera.
"Micius è la stella più luminosa del cielo quando passa sopra la stazione", ha scritto Pan. "La stella è [tanto] verde come il laser del faro [che Micius usa per puntare i fotoni al suolo]. Se c'è un po 'di polvere nell'aria, vedrai [anche] una linea di luce rossa che punta al satellite. Nessun suono viene dallo spazio. Forse ce ne sono alcuni rialzati dal movimento della stazione di terra ".
Quasi ogni volta che Micius fa qualcosa, fa saltare i record precedenti fuori dall'acqua. Questo perché le precedenti reti quantistiche si basavano sul passaggio di fotoni sul terreno, utilizzando l'aria tra edifici o cavi in fibra ottica. E ci sono limiti alla linea di vista sul terreno, o fino a che punto un cavo in fibra ottica trasferirà un fotone senza perderlo.
Nel giugno 2017, i ricercatori di Micius hanno annunciato di aver inviato due fotoni "entangled" a stazioni di terra distanti 745 miglia (1.200 km). (Quando una coppia di fotoni rimane intrappolata, si influenzano a vicenda anche se separati da grandi distanze.) Un mese dopo, in luglio, hanno annunciato di aver teletrasportato un pacchetto di informazioni quantistiche a 870 miglia (1.400 km) dal Tibet in orbita, il che significa che lo stato quantistico di una particella era stato trasmesso direttamente da una particella a terra al suo gemello nello spazio.
Entrambi questi risultati sono stati passi importanti sulla strada per le reti crittografate a chiave quantistica del mondo reale.
La nuova lettera annuncia che la teoria è stata messa in atto.
Micius prima crittografò due foto, una piccola immagine del satellite Micius stesso, poi una foto del primo fisico quantistico Erwin Schrödinger. Quindi ha crittografato quella lunga videochiamata. Nessun atto simile di distribuzione della chiave quantistica è mai stato raggiunto su quel tipo di distanza.
Già, ha detto Pan, Micius è pronto per crittografare informazioni più importanti.
Come funziona una chiave quantistica?
La distribuzione delle chiavi quantistiche è essenzialmente un'applicazione creativa del cosiddetto principio di indeterminazione di Heisenberg, uno dei principi fondamentali della meccanica quantistica. Come riportato in precedenza, il principio di indeterminazione afferma che è impossibile conoscere appieno lo stato quantistico di una particella e, soprattutto, che nell'osservare parte di quello stato, un rilevatore cancella per sempre le altre informazioni rilevanti che la particella contiene.
Questo principio si rivela molto utile per la codifica delle informazioni. Come ha scritto il crittografo belga Gilles Van Assche nel suo libro del 2006 "Quantum Cryptography and Secret-Key Distillation", un mittente e un destinatario possono utilizzare gli stati quantistici delle particelle per generare stringhe di numeri. Un computer può quindi utilizzare quelle stringhe per crittografare alcune informazioni, come un video o un testo, che poi invia tramite un relè classico come la connessione Internet che stai utilizzando per leggere questo articolo.
Ma non invia la chiave di crittografia su quel relay. Invece, invia quelle particelle attraverso una rete quantistica separata, ha scritto Van Assche.
Nel caso di Micius, ciò significa inviare fotoni, uno alla volta, attraverso l'atmosfera. Il ricevitore può quindi leggere gli stati quantistici di quei fotoni per determinare la chiave quantistica e utilizzare quella chiave per decrittografare il messaggio classico. [Album: Le equazioni più belle del mondo]
Se qualcun altro cercasse di intercettare quel messaggio, tuttavia, lascerebbe segni rivelatori: pacchetti mancanti della chiave che non sono mai arrivati al mittente.
Ovviamente nessuna rete è perfetta, soprattutto non quella basata sulle informazioni di ripresa per le singole foto attraverso chilometri di spazio. Come hanno scritto i ricercatori di Micius, le reti in genere perdono l'1 o il 2 percento della loro chiave in una giornata limpida. Ma questo è ben all'interno di ciò che Micius e la stazione base possono lavorare insieme per modificare fuori dalla chiave, usando una matematica fantasia. Anche se un utente malintenzionato intercettasse e distruggesse una parte molto più grande della trasmissione, qualunque cosa non riuscisse a catturare sarebbe comunque pulita: più breve, ma abbastanza sicura da crittografare le trasmissioni in un attimo. [Come funziona Quantum Entanglement (Infografica)]
Tuttavia, la connessione tra Micius e la Terra non è ancora perfettamente sicura. Come ha scritto il team di autori cinesi e austriaci, il difetto nella progettazione della rete è il satellite stesso. In questo momento, le stazioni base in ogni città collegata ricevono chiavi quantistiche diverse dal satellite, che vengono moltiplicate insieme e quindi districate. Quel sistema funziona bene, a patto che i comunicatori credano che nessuna squadra segreta di nefandi astronauti sia entrata in Micius stesso per leggere la chiave quantistica alla fonte. Il passo successivo verso una sicurezza veramente perfetta, hanno scritto, è distribuire chiavi quantistiche dai satelliti tramite impigliato fotoni: chiavi che i satelliti avrebbero prodotto e distribuito, ma non sarebbero mai stati in grado di leggere.
Col tempo, hanno scritto i ricercatori, hanno in programma di lanciare più satelliti quantistici in orbite più alte - satelliti che comunicheranno tra loro e con i ricercatori sulla Terra in reti sempre più complesse.
Questa rete quantistica a lenta diffusione e sempre più pratica sarà costruita prima per la Cina e l'Europa, hanno scritto, "e poi su scala globale".