Un salto quantico per la crittografia
Un team internazionale di ricercatori ha scoperto un modo per rendere i numeri casuali davvero casuali. Lo studio, pubblicato nella rivista Nature, è stato sostenuto dall'UE attraverso i progetti PERCENT ("Percolating entanglement and quantum information resources through quantum networks") e QORE ("Quantum correlations") con un finanziamento di rispettivamente 7 e 2 milioni di euro da parte del Consiglio europeo della ricerca (CER). Finanziamenti sono anche arrivati dal progettto QAP ("Qubit applications"), finanziato con 9,9 milioni di euro nell'ambito dell'area tematica "Tecnologie della società dell'informazione" del Sesto programma quadro (6° PQ). Per creare liste di numeri casuali per la crittografia, i crittografi di solito usano algoritmi matematici chiamati "pseudo-generatori di numeri casuali". Questi non sono però mai del tutto "casuali", visto che i creatori non possono essere certi che le sequenze di numeri non siano in qualche modo prevedibili. Ora un team di fisici sperimentali ha compiuto una svolta nella generazione di numeri casuali, applicando i principi della meccanica quantistica per produrre una stringa di numeri che è davvero casuale. "La fisica classica semplicemente non consente la casualità reale in senso stretto", ha spiegato il capo del team di ricerca Chris Monroe del Joint Quantum Institute (JQI) presso l'Università del Maryland negli Stati Uniti. "Vale a dire, l'esito di un qualsiasi processo fisico classico può in definitiva essere determinato se si dispone delle informazioni sufficienti sulle condizioni iniziali. Solo i processi quantistici possono essere realmente casuali, e anche allora, dobbiamo assicurarci che il dispositivo sia effettivamente quantistico e non contenga alcun residuo della fisica classica". Secondo le leggi della meccanica quantistica, le proprietà degli oggetti sono per loro natura incerta. Anche se la probabilità di qualsiasi particolare proprietà può essere calcolata in anticipo, le proprietà assumono un valore particolare solo se misurate. Quindi, teoricamente, è possibile ottenere un insieme di numeri casuali effettuando una serie di misurazioni quantistiche che sono completamente indipendenti l'una dall'altra. I ricercatori hanno usato una tecnica rivoluzionaria conosciuta come "casualità privata", che è stata inventata dal fisico irlandese John Bell nel 1964 al fine di verificare l'ipotesi della meccanica quantistica che due oggetti, come ad esempio i fotoni o le particelle di materia, possono entrare in uno stato chiamato di "entanglement" (intreccio non separabile). Ciò significa che essi diventano interdipendenti, ovvero se si effettuata una misurazione su uno di essi, viene determinata anche la proprietà corrispondente dell'altro, anche se sono separati da grandi distanze. "Le disuguaglianze di Bell prevedono misurazioni su una coppia entangled che permettono di quantificare questo entanglement", ha detto il professor Monroe a Research Headlines. "Per poter compiere test puliti sulla disuguaglianza di Bell, si dovrebbe essere in grado di soddisfare due condizioni. In primo luogo, le particelle dovrebbero essere separate da una distanza tale da renderne impossibile la comunicazione (in caso contrario, si potrebbe sostenere che esse "potrebbero avere" comunicato per essere correlate). In secondo luogo, si deve essere in grado di registrare ogni singolo evento. Nella tecnica del testa o croce, se si lancia una moneta 1.000 volte, ma si registra il risultato solo 50 volte ed è per lo più testa, è comunque ancora possibile che la tecnica sia giusta". La tecnica prevede il conteggio delle correlazioni tra le misurazioni effettuate sui due oggetti, mentre i dispositivi di misurazione cambiano orientamento. Bell ha dimostrato matematicamente che se gli oggetti non erano entangled, le loro correlazioni dovevano essere inferiori a un certo valore, espresso in una disuguaglianza. Se fossero entangled, il tasso di correlazione potrebbe essere più alto, cosa che violerebbe la disuguaglianza. In questo esperimento, il team ha posto singoli atomi in due spazi a un metro di distanza in stato di entanglement. Ogni volta che il loro strumento segnalava che era stato raggiunto l'entanglement, il team ruotava ogni atomo sul suo asse secondo un sequenza casuale e misurava la luce emessa da ogni atomo. Il valore di ciascuno dei due atomi veniva poi utilizzato per creare un numero binario. Complessivamente sono stati raggiunti più di 3.000 entanglement, producendo 42 numeri binari casuali privati a un livello di confidenza del 99%. Scrivono i ricercatori: "Si può per la prima volta provare che viene prodotta una casualità nuova in un esperimento senza un modello dettagliato del dispositivo". L'esperimento è stato il primo a violare la disuguaglianza tra oggetti separati da una distanza senza perdere nessuna delle manifestazioni. "Nel campo della crittografia e dei numeri casuali si può essere ingannati dalla mancanza di una buona parte degli eventi, ma nel nostro esperimento non si perde alcun evento", ha detto il professor Monroe. "La violazione di una disuguaglianza di Bell è possibile solo se il sistema obbedisce alle leggi della meccanica quantistica", ha aggiunto Dzmitry Matsukevich del JQI. "Quindi se verifichiamo una violazione di disuguaglianza di Bell tra sistemi isolati, mentre non mancano gli eventi, siamo in grado di garantire che il nostro dispositivo produce casualità privata. Non occorre che gli atomi siano troppo distanti, soltanto quanto basta in modo che possano essere protetti l'uno dall'altro, come avverrebbe comunque in un ambiente crittografico reale". "Il tasso di generazione casuale di bit è estremamente lento al momento - ha commentato il professor Monroe - ma ci aspettiamo grandi accelerazioni nei prossimi anni, con un entanglement più efficiente degli atomi, magari usando sistemi quantistici pseudo-atomici incorporati in un chip allo stato solido". Violando la disuguaglianza di Bell su distanze molto più grandi - ha aggiunto - "un tale sistema potrebbe essere utilizzato per un tipo più sicuro di crittografia dei dati".