Quantum Key Distribution (QKD), la rivoluzione delle chiavi quantistiche

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Attualità

Quantum Key Distribution (QKD), la rivoluzione delle chiavi quantistiche

L’accelerazione che vede il ricorso a fotoni singoli, le particelle quantistiche della luce, come nuovo paradigma dell’IT sta aprendo la strada a enormi opportunità, accompagnate da nuove minacce. Per fronteggiarle, la distribuzione e lo scambio di chiavi quantistiche è una delle tecniche su cui si stanno concentrando alcune tra le sperimentazioni più interessanti. Davide Calonico, responsabile della Divisione Metrologia quantistica e nanotecnologie di INRiM, spiega a che punto è la Quantum Key Distribution

03 Giu 2022

di Carmelo Greco

L’avvento del computer quantistico porta con sé una rivoluzione che in futuro potrebbe demolire le leggi dell’informatica così come le abbiamo conosciute finora. Mentre lo scontro commerciale a livello globale vede contrapposte aziende come IBM e Google, ognuna delle quali rivendica il primato nell’aver dimostrato la quantum supremacy rispetto perfino ai supercomputer dei giorni nostri, si fa strada una nuova disciplina che punta a mettere al sicuro comunicazioni e trasferimento dei dati nell’era del quantum computing.

La Quantum Key Distribution (QKD) rappresenta la soluzione contro possibili attacchi condotti con computer quantistici che sarebbero in grado di violare i modelli di crittografia attualmente in uso. L’Italia è uno dei Paesi in cui la sperimentazione in materia è particolarmente avanti, come attesta la recente pubblicazione sulla prestigiosa rivista scientifica Nature Communications di uno studio svolto da un gruppo di ricercatori dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) di Torino. Lo studio è stato condotto su circa 200 km dell’Italian Quantum Backbone, la rete in fibra ottica di 1800 km realizzata da INRiM che collega il capoluogo del Piemonte con Matera. Davide Calonico, responsabile della Divisione Metrologia quantistica e nanotecnologie dell’Istituto, sintetizza quali sono i pilastri della ricerca e qual è l’approdo empirico a cui ha dato evidenza.

QKD su fibra ottica e distanza, un problema aperto

“La nostra pubblicazione su Nature Communications si inquadra nel tema generale della distribuzione di chiavi quantistiche. La distribuzione quantistica di chiavi è una delle tecniche che sfrutta la meccanica quantistica nelle comunicazioni ed è una delle più mature. Rappresenta una risposta per la sicurezza delle comunicazioni all’introduzione del computer quantistico che va a scardinare la crittografia tradizionale. La QKD ha però una serie di ostacoli da superare. Per esempio, oggi si può fare da un punto a un altro, mentre non esiste una distribuzione di chiavi verso multi-utenti. Un altro punto fondamentale è la velocità con cui avviene lo scambio delle chiavi, che sicuramente sarà migliorata nei prossimi anni. Il terzo punto, infine, che è anche l’oggetto del nostro articolo, riguarda la distanza che si può coprire con la distribuzione di questo tipo di chiavi” spiega Calonico.

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Davide Calonico, responsabile della Divisione Metrologia quantistica e nanotecnologie dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) di Torino

Lo studio dell’INRiM, nel dimostrare la validità del modello Quantum Key Distribution a supporto di elevatissimi standard di sicurezza e inviolabilità nelle comunicazioni, ha messo in luce anche i punti di debolezza che necessitano ancora di essere approfonditi. “Le distanze che si possono coprire con QKD su fibra ottica sono limitate” aggiunge infatti il ricercatore, spiegando che “dopo un certo numero di km, tra i 50 e i 100, occorre rigenerare la distribuzione di singoli fotoni. Oggi non abbiamo un rigeneratore quantistico e dobbiamo usare dei rigeneratori di tipo classico in alcuni punti. Se immaginiamo perciò un’infrastruttura fatta da un punto di partenza e uno di arrivo, con una distribuzione intermedia interamente quantistica, comunque ogni 50-100 km c’è bisogno di un rigeneratore di sicurezza classica”.

Le domande in attesa del Quantun Internet

La sfida al momento è quella di allungare la distanza tra un ripetitore e l’altro, o tra cosiddetti trusted node, in modo da ridurre la loro presenza in attesa che si arrivi alla scoperta di quel ripetitore quantistico che risolverebbe questa criticità alla radice. “Il punto cruciale della comunicazione quantistica, e della QKD in particolare, è che le leggi della natura garantiscono che nessuno abbia intercettato la chiave” dice ancora Calonico.

È un tema che ha implicazioni su tecnologie di frontiera nelle quali la sicurezza costituisce il fattore differenziate e critico, come per esempio la blockchain e le criptovalute. Tecnologie sulle quali non a caso un colosso bancario come JPMorgan Chase sta conducendo una sua ricerca strategica in ambito QKD.

“È chiaro che la digitalizzazione del mondo in cui viviamo ha fatto un salto in avanti poderoso negli ultimi anni” sottolinea Davide Calonico, ricordando la domanda che accomuna “la sicurezza delle infrastrutture digitali, siano esse una comunicazione cifrata siano essi dei registri digitali che contengono informazioni di autentificazione. Se qualche attaccante interviene e vuole prelevare dei dati, vuole modificarli, come faccio a tutelare questi dati, queste informazioni, queste strutture? O, almeno, come faccio a rendermi conto che qualcuno è entrato?”.

Sono quesiti derivanti dall’utilizzo sempre più pervasivo delle tecnologie di singolo fotone ai quali bisogna dare risposte puntuali e con tempistiche adeguate allo sviluppo di quello che alcuni definiscono già Quantum Internet.

Perché le tecnologie QKD sono più mature di altre

Lo scambio di chiavi, come sottoinsieme delle comunicazioni quantistiche, è una delle frontiere più mature, come si ricava dalla sperimentazione di INRiM pubblicata su Nature Communications, ma anche da altre dimostrazioni che l’Istituto ha fatto in precedenza. L’anno scorso, insieme a Consorzio TOP-IX, Italtel, CSI Piemonte e Politecnico di Milano, l’INRiM ha effettuato dei test su rete in esercizio che hanno reso evidenti le potenzialità della QKD nelle applicazioni business.

Il fattore accelerante che sta determinando la maggiore maturità nello sviluppo di chiavi quantistiche deriva proprio dalla minaccia che una novità disruptive come il computer quantistico comporta per le basi della cifratura adottate finora su scala mondiale. Basi la cui validità verrebbe meno con il quantum computing. Le ricadute per gli ambienti business e in generale per quelli a più alta riservatezza sono enormi.

Davide Calonico esemplifica casi emblematici come quelli del Fascicolo sanitario elettronico o del Fascicolo giudiziario digitalizzato, sulla cui inviolabilità si fondano principi irrinunciabili di privacy e riservatezza dei dati. Senza dimenticare che “la sicurezza è un processo e un sistema complesso a cui tutte le aziende si devono applicare mediante formazione e strumenti che garantiscano l’inviolabilità dei loro contenuti critici”. Anzi, proprio le aziende, a detta del responsabile della Divisione Metrologia quantistica e nanotecnologie dell’INRiM, sono i soggetti che devono investire in sicurezza digitale per riuscire ad affrontare quella che lo studioso definisce “la tempesta perfetta”.

Il ruolo delle aziende e delle istituzioni

“In un momento in cui la componente digitale esplode, e quindi i problemi della sicurezza digitale diventano più critici, un’innovazione che scardina quelli che erano i pilastri è una sfida molto importante” afferma in chiusura Calonico. Le istituzioni, a differenza di quanto si potrebbe supporre, hanno cominciato a muoversi in anticipo su questo tema.

“La Commissione europea si è fatta carico di un’iniziativa, la European Quantum Communication Infrastructure, che punta a realizzare in una decina d’anni servizi di comunicazione quantistica all’avanguardia. Su questo anche l’Italia è molto presente, tant’è vero che è uno tra i primi Paesi firmatari”. Anche il mercato si sta muovendo di conseguenza, basti pensare che “fino a 2-3 anni fa esisteva solo un’azienda che commercializzava degli iniziali prodotti QKD. Adesso abbiamo una serie di aziende impegnate, anche europee, e l’Italia sta facendo la sua parte con una filiera industriale che sta nascendo, in cui troviamo brillanti start-up ma anche l’investimento dei nostri campioni nazionali”.

Va anche rimarcata la circostanza che in questo momento sulle comunicazioni quantistiche non c’è un mercato consolidato, motivo per il quale questa evoluzione deve essere guidata dalle istituzioni. La Componente 2 (Dalla ricerca all’impresa) della Misura 4 (Istruzione e ricerca) del Piano nazionale di ripresa e resilienza destina 1,60 miliardi di euro per il potenziamento di strutture di ricerca e per la creazione di “campioni nazionali di R&S” su alcune Key Enabling Technologies. Il quantum computing è una di queste.

“È auspicabile che ci siano delle risorse che provengano non solo dal ministero dell’Università e della Ricerca, ma anche dagli altri ministeri e che vengano messe in campo proprio per costruire i presupposti per una risposta rapida alle urgenze importanti degli anni a venire. Le istituzioni italiane stanno portando avanti un’azione sistemica positiva, cercando di collocare il Paese in una giusta posizione a livello europeo. Un fatto importante in queste dinamiche complesse” conclude Davide Calonico.

Carmelo Greco

Giornalista

Giornalista professionista, si occupa come freelance e formatore di temi connessi all’innovazione digitale, all’economia civile e alle trasformazioni del mercato del lavoro. È anche autore di opere teatrali e di narrativa. Ultimo romanzo pubblicato, Focara di sangue, Edizioni Fogliodivia, 2020.

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