I computer quantistici rivoluzioneranno le nostre vite informatiche. Per alcune attività critiche saranno incredibilmente più veloci e utilizzeranno molta meno elettricità rispetto ai computer di oggi: un computer in grado di eseguire determinate operazioni importanti in modo rapido e con una potenza molto maggiore. Tuttavia, insorgono preoccupazioni sulla capacità di violare la crittografia in quasi tutte le azioni che segnaliamo: dal pagamento sicuro, all’invio di messaggi, ecc. Oggi ogni operazione crittografata si basa su un algoritmo matematico che un normale computer, in termini di potenza di calcolo e tempo richiesto, ha difficoltà a risolvere e ad hackerare il codice. Gli scienziati ritengono che la grande potenza dei computer quantistici, che funzioneranno rapidamente e simultaneamente, possa violare con relativa facilità le crittografie e violare la privacy degli utenti. Nel nostro futuro quantistico, quindi, dovranno essere sviluppati nuovi metodi di crittografia basati sulle leggi della fisica, piuttosto che su equazioni matematiche.
Un approccio fruttuoso consiste nell’utilizzare le proprietà quantistiche dei singoli fotoni (particelle di luce) per crittografare in modo sicuro un messaggio in modo che qualsiasi tentativo di hackerarlo sia immediatamente rilevabile sia dal mittente che dal destinatario. Tuttavia, ottenere una fonte adeguata di singoli fotoni è stata una sfida immensa.
Ora, un team di ricercatori guidato dal Professor Ronen Rapaport e dal Dr. Hamza Abudayyeh del Racah Institute of Physics dell’Università Ebraica di Gerusalemme (HU), in collaborazione con il gruppo di ricerca della Professoressa Monika Fleischer, Annika Mildner e altri presso l’Università di Tubinga in Germania, ha condotto uno studio e sviluppato un sistema relativamente semplice segnando una svolta significativa nella crittografia quantistica. Singoli fotoni su cui è stata caricata l’informazione codificata. Le loro scoperte ci avvicinano a un metodo semplice ed efficiente di crittografia quantistica e sono state pubblicate nella recente edizione di ACS Nano.
Già oggi organizzazioni e paesi stanno sviluppando computer quantistici e in un futuro non troppo lontano il loro utilizzo sarà comune a livello commerciale e istituzionale. Le banche e i dipartimenti governativi stanno già investendo nella crittografia quantistica che si basa sui raggi laser. Tuttavia, i raggi laser spesso rilasciano diversi fotoni contemporaneamente o nessuno. Ciò che è necessario per una sicurezza ottimale è una sorgente in grado di emettere un flusso veloce ma costante di singoli fotoni, in una direzione e a temperatura ambiente.
I ricercatori del team sono stati in grado di creare un dispositivo molto piccolo che produce e lancia singoli vasi su cui è possibile trasmettere le informazioni. Ogni fotone codificato è chiamato “bit quantistico”. In un bit quantistico qualsiasi contatto, o anche una misura, modifica necessariamente l’informazione codificata sul fotone e questa si esprimerà, una volta raggiunta la destinazione, in un errore di protocollo e dando indicazione del tentativo di effrazione.
Nel dispositivo, sviluppato utilizzando tecnologie nanometriche innovative presso il Nanoscience and Nanotechnology Center dell’Università Ebraica, i ricercatori hanno utilizzato un nanocristallo, spesso meno di un millesimo di capello, un materiale semiconduttore che, quando illuminato da un impulso laser, emette un singolo fotone. Mentre il nanocristallo da solo non consente la rapida emissione di fotoni per produrre chiavi di crittografia ad alta velocità, i ricercatori hanno utilizzato un “trucco nanometrico” e sono stati in grado di aumentare significativamente la velocità, a circa dieci milioni di puton al secondo e mirare a raggiungere una velocità di un miliardo al secondo. Questo viene fatto facendo fluire i fotoni in una sorta di cono metallico miniaturizzato attaccato al nanocristallo, che funge da “parafulmine” che trae energia e luce dalla nanoparticella e diventa un’antenna che trasmette la luce tramite una nano-lente che dirige l’emissione dei fotoni nella direzione desiderata.
Il team di HU ha sviluppato un sistema che utilizza cristalli fluorescenti sotto forma di granelli così piccoli che sono necessari microscopi speciali per vederli. Conosciuto come punti quantici, ogni punto misura molto meno di un millesimo della larghezza di un capello umano. Un raggio laser che ha brillato sul punto quantico lo fa diventare fluorescente ed emette un flusso di singoli fotoni.
Questi punti quantici sono montati individualmente su capocchie di spillo dorate – tranne, ovviamente, che si tratta di una nano capocchia di spillo, o nanocono, quasi un centomillesimo delle dimensioni di una normale capocchia di spillo. I nanoconi sono in grado di aumentare di 20 volte l’emissione di punti quantici dei fotoni. Questo flusso di fotoni viene quindi espulso in un’unica direzione da un “reticolo di Bragg” che agisce come un tipo di antenna.
Il dispositivo HU-Tübingen non è utile solo per la crittografia quantistica, ma in altre situazioni che si basano su bit quantistici per codificare le informazioni, come il calcolo quantistico. “Attualmente, abbiamo un buon prototipo che ha il potenziale per la commercializzazione nel prossimo futuro”, ha condiviso Ronen Rapaport.
Il vantaggio della crittografia quantistica risiede nel suo determinismo fisico. “Le leggi della scienza non possono essere infrante: un singolo fotone non può essere diviso, non importa quanto ci si sforzi. Le complessità matematiche potrebbero essere molto difficili da risolvere, tuttavia sono vulnerabili ad attacchi e violazioni a differenza dei sistemi di sicurezza basati sulla quantistica”, ha spiegato Hamza Abudayyeh. Il team sta attualmente migliorando il proprio dispositivo in modo che possa fornire un flusso ancora più affidabile ed efficiente di singoli fotoni che potrebbero essere utilizzati in un’ampia gamma di tecnologie quantistiche.
https://www.eurekalert.org/news-releases/935082
