Una delle principali necessità della società digitale è quella di proteggere i propri dati e di realizzare comunicazioni sicure e riservate tra persone e oggetti che possono trovarsi in un luogo qualsiasi del nostro pianeta. Il problema principale da risolvere è quello di distribuire chiavi crittografiche in maniera assolutamente riservata e sicura tra tutti i partecipanti alla comunicazione.
Le reti tradizionali non sono più adeguate per garantire queste condizioni perché le nuove tecnologie quantistiche come il quantum computing saranno presto in grado di violarle.
Queste stesse tecnologie quantistiche, però, permettono di costruire nuove reti assolutamente sicure e integrabili con le reti in fibra ottica esistenti, a patto di utilizzare correttamente la tecnologia e rispettare precisi vincoli e limitazioni sulla potenza del segnale con conseguenze sulla lunghezza delle tratte.
Crittografia post-quantum, per resistere agli attacchi quantistici: gli scenari
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Gli strumenti per la sicurezza
Un requisito fondamentale per la protezione di dati e comunicazioni è possedere un buon algoritmo di crittografia e una chiave robusta per utilizzarlo. Inoltre è necessario che entrambi o almeno uno di essi sia mantenuto segreto, o meglio, che sia noto solo ai soggetti in comunicazione.
Utilizzare algoritmi segreti è poco pratico: prima di tutto dovrebbero essere distribuiti tra tutti gli interlocutori, e quindi non sarebbero più tanto segreti, e poi dovrebbero essere aggiornati con regolarità assicurando sempre di utilizzare solo l’ultima versione.
La soluzione veramente pratica, invece, è quella di mantenere segreta la chiave. In questo caso gli interlocutori devono possedere la stessa chiave almeno per la durata della trasmissione dei dati. Anzi, è bene che per una nuova comunicazione si utilizzi una nuova chiave.
La sfida da affrontare è quella di consegnare la chiave crittografica ai partecipanti della comunicazione in modo assolutamente sicuro e riservato.
Il problema è tutt’altro che banale perché le informazioni trasmesse in rete possono essere intercettate e duplicate.
Nel tempo si sono messi a punto algoritmi sempre più complessi per accordarsi su una chiave crittografica, basandosi sulla risoluzione di problemi matematici molto difficili come la fattorizzazione di numeri primi molto grandi. Con l’avvento dei computer quantistici però tutti questi metodi perderanno la loro efficacia.
Distribuire le chiavi con tecnologia quantistica
La Quantum Key Distribution (QKD) fornisce una risposta alla necessità di distribuire chiavi crittografiche con la certezza di assoluta riservatezza. Il meccanismo non si basa su algoritmi matematici complessi ma sulla capacità di trasmettere un singolo fotone che, grazie alle proprietà della fisica quantistica, viene consumato nel momento nel quale viene letto garantendo quindi l’assoluta riservatezza dell’informazione trasferita.
Sulla descrizione della tecnologia QKD esiste già ampia documentazione. In questo articolo ci basta considerare che esiste un modo assolutamente sicuro e riservato per svolgere il compito di distribuire chiavi crittografiche in rete.
Il pregio della QKD è di non temere la minaccia del computer quantistico. Serve tuttavia un canale quantistico, che può essere una fibra ottica o un link satellitare sul quale trasportare i fotoni.
Integrazione nelle reti di telecomunicazione
Il metodo più semplice per applicare la tecnologia QKD consiste nell’utilizzare una bobina di fibra ottica ai cui capi sono installati un generatore di fotoni e un riconoscitore.
Questo modello ha il vantaggio di massimizzare la distanza, che può raggiungere alcune centinaia di chilometri, però ha il difetto di richiedere l’installazione di un collegamento in fibra dedicato unicamente alla trasmissione di chiavi, per ogni coppia di punti fisici. Questo tipo di approccio risulta impraticabile al di fuori di un contesto di ricerca.
La soluzione realmente percorribile per un utilizzo pratico, anche commerciale, di questa tecnologia quindi deve passare per l’integrazione nelle attuali reti di comunicazione in fibra ottica. Il primo beneficio sarà la possibilità di collegare due punti senza il vincolo di dover utilizzare un collegamento dedicato.
La soluzione ottimale è quella di integrare la QKD con i normali canali usati per la trasmissione dati utilizzando una frequenza o colore d’onda all’interno della fibra ottica.
Vincoli e punti di attenzione
Ci sono però una serie di elementi da considerare. Il primo vincolo è che sulle tratte QKD non possono essere installati dispositivi attivi di amplificazione ottica. I fotoni infatti non devono subire alcuna alterazione durante il percorso altrimenti si perde l’informazione trasportata rendendo inapplicabile la tecnologia.
Un secondo elemento riguarda la lunghezza delle tratte.
Dato che la QKD si basa sulla trasmissione di un singolo fotone, senza elementi di amplificazione, il normale fenomeno di attenuazione lungo la tratta ne limita la lunghezza. Oltre a questo bisogna gestire il problema delle interferenze generate dai canali adiacenti utilizzati per la trasmissione dati che invece trovano vantaggioso alzare la potenza dei laser per migliorare la qualità della trasmissione.
In conclusione, integrare un canale dedicato alla QKD in una fibra ottica di una rete di comunicazione richiede una serie di attenzioni e comporta alcuni vincoli sulla lunghezza delle singole tratte.
In termini pratici un link QKD può raggiungere una lunghezza non superiore ad una ventina di chilometri. Anche con questi vincoli e limitazioni la prospettiva di integrare la QKD in una rete di comunicazione rimane estremamente interessante.
Estendere le reti a livello globale
Il risultato ottenuto fino a questo punto è solo il primo passo per la realizzazione di una rete globale di distribuzione di chiavi crittografiche di alta qualità. Pur con tutte le limitazioni fisiche che abbiamo esplorato, i singoli link QKD possono essere collegati tra loro attraverso nodi di ripetizione o trusted nodes e, in futuro, di quantum repeaters.
Un trusted node è costituito da una coppia ricevitore-trasmettitore QKD. I fotoni vengono letti fino a ricostruire la chiave che viene poi trasmessa sul link adiacente. In questo modo un link QKD può essere collegato al successivo per realizzare una rete globale.
A questo tipo di nodo viene anteposto l’aggettivo trusted per evidenziare la necessità di realizzare una soluzione ingegneristica per rendere sicuro il nodo.
Nel frattempo si sta lavorando anche ai quantum repeaters ossia apparati che, a livello quantistico, sono in grado di riprodurre il fotone ricevuto. I tempi per la reale disponibilità dei quantum repeaters però sono ancora piuttosto lunghi. La necessità di sicurezza e i tempi di sviluppo della tecnologia suggeriscono quindi di investire nella realizzazione di trusted nodes per poi evolverli con i quantum repeaters.
Crittografia post-quantistica e meccanica quantistica: alleate per la sicurezza dei dati
Esempi di QKD in Italia
Nel panorama europeo l’Italia è uno dei paesi più avanzati nella ricerca e sviluppo delle tecnologie quantistiche e, in particolare, della QKD.
A questo riguardo è significativo citare la dimostrazione pubblica della tecnologia svolta a Trieste durante il meeting G20 del 5 agosto 2021. In questo caso i fotoni del link QKD sono stati trasmessi su una connessione in fibra dedicata che collegava Trieste con Lubiana e Fiume. La connessione è stata usata per effettuare una video chiamata resa sicura dalla crittografia basata su QKD. Il passaggio all’integrazione della QKD in una rete in esercizio è stato realizzato recentemente a Torino grazie alla iniziativa di collaborazione tra istituti di ricerca, università, industria e operatori di telecomunicazione cui prende parte, tra gli altri, anche Italtel insieme al consorzio Top-IX.
L’esigenza di sicurezza è elevata e le preoccupazioni per minacce come quelle generate dai computer quantistici sono più che motivate.
La stessa fisica quantistica però ci fornisce gli strumenti per contrastare questi rischi. La quantum key distribution è una tecnologia capace di trasferire chiavi crittografiche in assoluta sicurezza e riservatezza indipendentemente dalla potenza computazionale dell’avversario.
Questa tecnologia oggi può essere integrata nelle reti di comunicazione in fibra ottica. Con fierezza possiamo dire che noi in Italia siamo capaci di farlo e lo abbiamo già dimostrato in diverse occasioni. Ora sarà compito del mercato creare le condizioni per trasformare queste competenze e queste tecnologie in soluzioni concrete per i bisogni di sicurezza della nostra società.
