Sensori ad alte prestazioni per contrastare le spie

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Grazie a questi sensori, gli scienziati sono riusciti a generare una chiave segr
Grazie a questi sensori, gli scienziati sono riusciti a generare una chiave segreta a una velocità di 64 megabit al secondo su 10 km di fibre ottiche. M. Perrenoud - G. Resta / UNIGE

Un team dell’Università di Ginevra e di ID Quantique ha sviluppato rivelatori di fotoni unici con prestazioni senza precedenti, aprendo nuove prospettive per la crittografia quantistica.

Come combattere il furto di dati, una vera sfida per la società? La fisica quantistica ha la soluzione. Le sue teorie permettono di codificare le informazioni (un qubit) in particelle di luce (un fotone) e di farle circolare in una fibra ottica in modo ultra-sicuro. Tuttavia, l’utilizzo di questa tecnologia di telecomunicazione su larga scala è ostacolato in particolare dalle prestazioni dei sensori a singolo fotone utilizzati. Un team dell’Università di Ginevra, insieme all’azienda ID Quantique, è riuscito ad aumentarne la velocità di venti volte. Questa innovazione, che sarà pubblicata sulla rivista Nature Photonics, consente di raggiungere prestazioni mai ottenute prima nella distribuzione quantistica delle chiavi.

Acquistare un biglietto del treno, prenotare un taxi, farsi consegnare un pasto: tutte queste transazioni vengono effettuate quotidianamente tramite applicazioni mobili. Queste si basano su sistemi di pagamento che prevedono uno scambio di informazioni segrete tra l’utente e la sua banca. A tal fine, la banca genera una chiave pubblica, che trasmette al suo cliente, e una chiave privata, che mantiene segreta. Con la chiave pubblica, l’utente può modificare le informazioni, renderle illeggibili e inviarle alla banca. Con la chiave privata, la banca può decifrarla.

Questo sistema è ora minacciato dalla potenza di calcolo dei computer quantistici. La crittografia quantistica - o " distribuzione quantistica delle chiavi " (QKD) - è l’opzione migliore. Consente a due parti di generare chiavi segrete condivise e di trasmetterle tramite fibra ottica in modo altamente sicuro. Le leggi della meccanica quantistica stabiliscono che una misurazione influisce sullo stato del sistema misurato. Di conseguenza, se un origliatore tenta di misurare i fotoni per rubare la chiave, l’informazione sarà immediatamente alterata e l’intercettazione rivelata.

Limiti attuali

L’applicazione di questo sistema è limitata dalla velocità dei rivelatori a fotone singolo utilizzati per ricevere le informazioni. Dopo ogni rilevazione, devono recuperare per circa 30 nanosecondi, il che limita la velocità delle chiavi segrete a circa 10 megabit al secondo. Un team dell’Università di Ginevra guidato da Hugo Zbinden, professore associato presso il Dipartimento di Fisica Applicata della Facoltà di Scienze dell’Università di Ginevra, è riuscito a superare questo limite sviluppando un rivelatore con prestazioni migliori. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con il team di Félix Bussières di ID Quantique, uno spin-off dell’Università.

Attualmente, i rivelatori più veloci per questa applicazione sono i rivelatori di fotoni singoli a nanofili superconduttori", spiega Fadri Grünenfelder, ex dottorando presso il Dipartimento di Fisica Applicata della Facoltà di Scienze dell’Università di Ginevra e primo autore dello studio. Questi dispositivi sono costituiti da un minuscolo filo superconduttore raffreddato a -272°C. Se un singolo fotone lo colpisce, si riscalda e cessa di essere superconduttore per un breve periodo, generando un segnale elettrico rilevabile. Quando il filo si raffredda nuovamente, è possibile rilevare un altro fotone.

Prestazioni record

Integrando non uno ma quattordici nanofili nei loro sensori, i ricercatori sono riusciti a raggiungere tassi di rilevamento record. I nostri rivelatori possono contare venti volte più velocemente di un dispositivo a filo singolo", spiega Hugo Zbinden. Se due fotoni arrivano in un breve lasso di tempo in questi nuovi rilevatori, possono toccare fili diversi ed essere entrambi rilevati, mentre con un singolo filo questo è impossibile. I nanofili utilizzati sono anche più corti, il che contribuisce a ridurre il loro tempo di recupero.

Utilizzando questi sensori, gli scienziati sono stati in grado di generare una chiave segreta a una velocità di 64 megabit al secondo su 10 km di cavo in fibra ottica. Questa velocità è sufficiente per garantire, ad esempio, una videoconferenza con diversi partecipanti. Si tratta di una prestazione cinque volte superiore a quella della tecnologia attuale su questa distanza. Inoltre, questi nuovi rilevatori non sono più complessi da produrre rispetto ai dispositivi attualmente disponibili sul mercato.

Questi risultati aprono nuove prospettive per il trasferimento ultra-sicuro dei dati, fondamentale per banche, sistemi sanitari, governi e forze armate. Possono essere applicati anche in molti altri campi in cui il rilevamento della luce è un elemento chiave, come l’astronomia e l’imaging medico.