Chi, a scuola, non ha scambiato un bigliettino con un amico o un'amica, passandolo ai compagni oppure lanciandolo attraverso la classe, quando la professoressa non guardava, confidando nella buona mira e nella buona sorte? La comunicazione di messaggi riservati è prima di tutto una questione di fiducia: come essere sicuri che il bigliettino non sarà letto da altri? La questione diventa ancora più importante quando il messaggio non è una dichiarazione d'amore o la soluzione del compito, ma un segreto industriale del valore di centinaia di milioni di euro, oppure un'informazione militare che può salvare la vita di persone.
La soluzione del problema è la crittografia: scrivere il messaggio in un linguaggio che solo il mittente e il destinatario sono in grado di decifrare. Il primo passo è trasformare il messaggio in una sequenza di numeri, più conveniente per eseguire delle operazioni: esistono diversi standard i…
Chi, a scuola, non ha scambiato un bigliettino con un amico o un'amica, passandolo ai compagni oppure lanciandolo attraverso la classe, quando la professoressa non guardava, confidando nella buona mira e nella buona sorte? La comunicazione di messaggi riservati è prima di tutto una questione di fiducia: come essere sicuri che il bigliettino non sarà letto da altri? La questione diventa ancora più importante quando il messaggio non è una dichiarazione d'amore o la soluzione del compito, ma un segreto industriale del valore di centinaia di milioni di euro, oppure un'informazione militare che può salvare la vita di persone.
La soluzione del problema è la crittografia: scrivere il messaggio in un linguaggio che solo il mittente e il destinatario sono in grado di decifrare. Il primo passo è trasformare il messaggio in una sequenza di numeri, più conveniente per eseguire delle operazioni: esistono diversi standard internazionali, ad esempio nel codice ASCII binario alla lettera A corrisponde il numero 01100001 e così per tutte le altre lettere e simboli. Fin qui il vantaggio è minimo, perché il processo di decodifica è facile e il messaggio è immediatamente decifrabile. Il secondo passo è trasformare la sequenza originaria di numeri in una nuova sequenza del tutto diversa e apparentemente priva di significato. Questo può essere fatto ad esempio moltiplicando opportunamente la sequenza per un altro numero, che prende il nome di chiave crittografica: solo chi conosce la chiave può eseguire l'operazione inversa, la divisione, e ricostruire il messaggio originario. In questo modo il problema della comunicazione sicura è ricondotto al problema della generazione e distribuzione della chiave crittografica.
La crittografia classica ha escogitato diverse soluzioni molto sofisticate, che possono essere violate solo se si dispone di una enorme potenza di calcolo, che al momento nessuno possiede. Al momento, perché i computer quantistici potrebbero offrire esattamente la potenza necessaria. Qui interviene la comunicazione quantistica, cioè un sistema intrinsecamente sicuro per la generazione e distribuzione delle chiavi, che nessuno può violare perché le leggi della fisica quantistica lo impediscono.
La comunicazione quantistica si basa sullo scambio di fotoni, l'unità fondamentale della luce. Un fotone è paragonabile ad una minuscola trottola che può girare in diverse direzioni, e la direzione può essere utilizzata per codificare la chiave. Ad esempio, a un fotone che gira attorno alla direzione verticale può essere associato il numero 0, e ad uno che gira attorno ad una direzione obliqua il valore 1; li chiameremo rispettivamente fotone 0 e fotone 1. Quindi, se il mittente vuole comunicare la chiave 101 al destinatario (nella realtà le chiavi sono molto più lunghe), invierà un fotone 1, seguito da un fotone 0 e poi di nuovo un fotone 1. Il vantaggio nell'utilizzare i fotoni risiede in un principio fondamentale della meccanica quantistica: in generale "non è possibile leggere lo stato di un sistema quantistico senza modificarlo". Questo accade perché gli stati quantistici sono estremamente fragili e un intervento esterno li perturba. Quindi se un hacker cerca di leggere gli stati dei tre fotoni 101 inviati dal mittente, inevitabilmente li modifica e il destinatario si troverà ad esempio con tre fotoni 001. Ecco allora che, confrontando pezzi della chiave, mittente e destinatario possono facilmente accorgersi di questi cambiamenti, capire se c'è stato un attacco hacker e, se necessario, interrompere la comunicazione.
Il processo può sembrare complicato ma è facile renderlo automatico: quello che si ha alla fine sono due strumenti, come due modem, uno per il mittente e uno per il destinatario, che parlano tra loro, generano due copie della chiave, controllando in automatico che non ci siano tentativi di spionaggio in corso, e nel qual caso danno l'allarme. Una volta generate le due copie della chiave in maniera sicura, si può dare avvio alla comunicazione criptata.
La sperimentazione della comunicazione quantistica è a uno stadio avanzato e le aziende e start-up che la commercializzano si moltiplicano. La Cina è prima fila in questo processo di sviluppo tecnologico; l'Europa e in particolare l'Italia possiedono le competenze necessarie per recuperare il terreno e anche per superare la Cina, ma questo sarà possibile solo a fronte di congrui investimenti e soprattutto di un'efficace attività di coordinamento delle diverse competenze richieste.
Con questo articolo Angelo Bassi, professore di Fisica all'Università di Trieste, inizia la sua collaborazione con Repubblica