Il futuro è già tra noi. Gli sviluppi delle comunicazioni quantistiche

In questi giorni numerose notizie sono apparse a livello nazionale e internazionale sui recenti sviluppi nelle comunicazioni quantistiche. Sono tecnologie importanti perché promettono di rivoluzionare la sicurezza delle comunicazioni.
Nel nostro saggio Quantum Intelligence (Rubbettino, 2020) avevamo studiato il fenomeno dell’informazione quantistica. La prospettiva del lavoro era quella delle scienze sociali e, in particolare, degli intelligence studies. Nel volume avevamo individuato proprio nelle comunicazioni quantistiche una delle tecnologie con maggiore impatto politico e sociale dei prossimi anni. Questo per via delle applicazioni crittografiche che possono essere teoricamente inviolabili. E questo sebbene le implementazioni pratiche finora proposte abbiano mostrato numerose vulnerabilità.
Le notizie di questi giorni rilanciano il tema in termini a tratti enfatici per cui potrebbe essere utile chiarire alcuni aspetti.

Le politiche europee

L’European Quantum Communication Infrastructure (EuroQCI) è un’iniziativa che intende definire nell’arco del prossimo decennio la sicurezza delle comunicazioni nell’Unione Europea, utilizzando sia la fibra ottica che i satelliti. L’obiettivo è connettere le infrastrutture critiche con i nodi istituzionali e finanziari. In questo modo potrebbe essere possibile rendere lo scambio delle informazioni teoricamente inviolabile. Nella visione di lungo periodo, questa infrastruttura dovrebbe costituire la base di una internet quantistica, collegando vari nodi. Le notizie apparse nei giorni scorsi riguardano l’annuncio da parte della Commissione europea della costituzione di un consorzio di aziende e centri di ricerca per definire il programma dell’Unione. Quello che spesso si omette di ricordare, tuttavia, sono gli sforzi fin qui compiuti, in quanto non si parte da zero.

L’Italia non sta a guardare

Nel nostro saggio avevamo ricordato come dal 2010 l’Italia abbia predisposto fino ad oggi 1700 chilometri di fibra ottica per le comunicazioni quantistiche. Il CNR e l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica hanno guidato lo sviluppo di questa rete, che dovrebbe espandersi a nord verso il cuore dell’Europa e a sud verso Malta. Negli anni, l’Unione Europea ha finanziato altri importanti programmi per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche. Tra questi spicca il progetto “Quantera”, avviato nel 2014 e riproposto nel 2021. Nella seconda metà del 2018 è stata promossa l’iniziativa Quantum Technologies Flagship, analizzata nel dettaglio nel nostro volume. La stessa iniziativa EuroQCI è stata preceduta da un progetto pilota lanciato nel 2019 e denominato OPENQKD, a cui partecipa anche l’Università di Padova, con l’obiettivo di installare una infrastruttura per la crittografia quantistica in alcuni Paesi europei.

L’European Quantum
Communication Infrastructure

L’iniziativa EuroQCI si pone in continuità con l’evoluzione delle tecnologie quantistiche in Europa. La dichiarazione di cooperazione ha visto la partecipazione di 26 stati membri dal giugno 2019. All’atto della scrittura del nostro saggio non era ancora nota l’entità dei fondi previsti. Pertanto, non era stato possibile procedere a una analisi dei finanziamenti. Ad oggi, l’ammontare dei fondi non è ancora definito a livello ufficiale. C’è da attendersi, tuttavia, che l’annuncio della costituzione del Consorzio Europeo possa sbloccare l’impiego delle risorse economiche.

La competizione internazionale

Lo sviluppo delle tecnologie quantistiche si inserisce in un contesto di accesa competizione internazionale per l’affermazione della supremazia tecnologica. Infatti, si parla di corsa alla supremazia quantistica o quantum supremacy. Tra gli attori in gioco, la Cina è in vantaggio sulle tecnologie di comunicazione quantistica, che garantisco la massima sicurezza. Gli USA, invece, prevalgono sulle tecnologie del computer quantistico. Questa nuova forma di elaboratore avrà una potenza di calcolo enormemente superiore a quella attuale, trovando applicazione in vari ambiti tra cui finanza, chimica e farmaceutica, logistica, energia, difesa e altro ancora.

La guerra dei brevetti

La competizione tra USA e Cina emerge non solo dai programmi di ricerca e sviluppo nazionali, ma soprattutto dall’attività di ricerca e dalla produzione di brevetti da parte dei privati. Osservando i risultati dell’analisi effettuata nel 2019 da Martino Travagnin dello European Joint Research Center, è possibile constatare come gli Stati Uniti detenessero il primato dei brevetti sul computer quantistico (oltre 500 brevetti), seguiti da Giappone e Canada (intorno ai 200 brevetti). Il numero di brevetti depositati sul computer quantistico attribuibili agli USA ha avuto un andamento fortemente crescente a partire dal 2013. La Cina, d’altro canto, è il Paese leader per i brevetti sulla principale applicazione crittografica delle comunicazioni quantistiche, ovvero la QKD – Quantum Key Distribution (circa 450 brevetti), seguita dagli Stati Uniti (circa 250 brevetti) e dal Giappone (circa 200). Il numero dei brevetti su QKD depositati dalla Cina ha avuto, a sua volta, un andamento in forte crescita a partire dal 2013.

Il ruolo chiave dei privati

L’annuncio del consorzio EuroQCI pone ulteriormente in evidenza il ruolo chiave del settore privato. Il consorzio, infatti, sarà guidato da Airbus. Ne faranno parte anche Leonardo, Telespazio, Orange, PwC France e Maghreb, nonché alcuni centri di ricerca. Questo ecosistema di privati aveva già fatto sentire la propria voce in merito alla definizione dell’infrastruttura di comunicazione quantistica tramite un Libro Bianco redatto da 24 importanti attori del settore, tra cui Thales, Airbus, Leonardo ed altri.
Comprendere la centralità e l’importanza del settore privato è fondamentale per contestualizzare questi sviluppi tecnologici, al di là delle iniziative statali. Sono molte le aziende e i gestori di telecomunicazioni che negli anni passati hanno compiuto esperimenti di comunicazione protetta dalla crittografia quantistica. Tra queste, nel nostro saggio, avevamo individuato diversi gestori delle telecomunicazioni, tra cui British Telecom, NTT, Telefónica, KPN, AT&T. A queste si affiancano giganti tecnologici come Toshiba, Mitsubishi, Fujitsu, NEC, Huawei. Non mancano, inoltre, aziende più piccole e specializzate come MagiQ, IDQuantiq, InfiniQuant. Questi elenchi potrebbero proseguire e sono in costante aggiornamento. Anche in termini di finanziamenti il settore privato mostra una dinamicità difficilmente eguagliabile dai programmi statali. È notizia di pochi giorni fa che la startup inglese Arqit avrebbe raccolto 400 milioni di dollari per lanciare due satelliti protetti da crittografia quantistica entro il 2023.

Lo sviluppo del computer quantistico

Una simile dinamica si osserva anche per quanto riguarda il computer quantistico, sviluppato prevalentemente da aziende nordamericane. Per avere un’idea, si pensi che una sola startup impegnata nello sviluppo del computer quantistico come PsiQuantum ha raccolto negli scorsi anni 500 milioni di dollari, pari a metà di ciascuno dei programmi degli USA (1,275 miliardi di dollari del National Quantum Iniziative Act) e dell’Unione Europea (1 miliardo di euro della Quantum Technologies Flagship Initiative).
È dunque da accogliere con favore la spinta europea per rafforzare il sistema privato. Il rafforzamento sta avvenendo dapprima sul piano delle comunicazioni quantistiche e in futuro, ci si augura, anche a livello della computazione quantistica.

Recenti sviluppi: l’apporto italiano

Ripartendo dal tema della centralità del settore privato, una notizia recente riguarda il nuovo record di distanza nella comunicazione quantistica su fibra ottica. Il risultato è stato raggiunto dal laboratorio di ricerca Toshiba a Cambridge. I ricercatori sono riusciti a trasmettere informazione quantistica su una distanza di 600 Km. La notizia è stata ripresa soprattutto dai media internazionali, meno da quelli italiani, nonostante questo risultato sia stato ottenuto da un gruppo di ricerca in cui è stato fondamentale il contributo dei ricercatori italiani Mirko Pittaluga, Marco Lucamarini e Mirko Sanzaro. Non sono pochi i risultati nelle comunicazioni quantistiche terrestri. A livello satellitare, invece, le distanze raggiunte sono di gran lunga superiori. Un esperimento famoso ha impegnato ricercatori Cinesi e Austriaci, che hanno stabilito tramite il satellite cinese Micius una comunicazione protetta da crittografia quantistica QKD tra due punti distanti 7600 km sulla terra.

La ricerca internazionale è anche tricolore

Nella prospettiva di una internet quantistica globale, si pone il problema di come interconnettere più segmenti. Quest’ultima considerazione ci porta ad un’altra notizia degli ultimi giorni. Si tratta del risultato ottenuto da un gruppo di ricercatori dell’Institut de Ciencies Fotoniques in Spagna, i quali hanno sviluppato un nuovo tipo di memoria che potrebbe accelerare il percorso verso la realizzazione di ripetitori in grado di garantire la comunicazione quantistica tra tratti di fibra ottica. Questo permetterebbe di ampliare ulteriormente le distanze raggiungibili dalle comunicazioni quantistiche terrestri. Anche questo risultato parla italiano, grazie alla presenza di Alessandro Seri nel gruppo di ricerca. È significativo osservare ancora una volta l’enorme patrimonio intellettuale costituito dai nostri ricercatori operanti all’estero. Più che “fuga dei cervelli” nel nostro lavoro abbiamo commentato il fenomeno della “circolazione dei cervelli”. Questo avviene quando i ricercatori, formatosi in centri di eccellenza all’estero, rientrano riportando competenze e know how nel Paese d’origine. La Cina è stata abile nello sfruttare questa dinamica, riportando in patria le migliori menti formatesi negli Stati Uniti e in Europa, che sono state determinanti nel suo poderoso sviluppo scientifico. È auspicabile che una simile dinamica avvenga anche in Italia, per cui i cervelli emigrati oggi, potrebbero rappresentare preziose risorse domani.

I punti critici

Tutte le recenti notizie finora commentate hanno innalzato le aspettative sulle comunicazioni quantistiche. È opportuno ricordare, tuttavia, che queste tecnologie non sono esenti da critiche. Una prima osservazione riguarda le diverse vulnerabilità emerse nei sistemi commerciali di crittografia quantistica. Sistemi che si sono dimostrati vulnerabili a diversi tipi di attacchi, specie di tipo side-channel. Questo tipo di attacchi sono diretti agli apparati di rilevazione e misura delle reti quantistiche, con l’obiettivo di carpire segnali fisici che possono rivelare i contenuti della comunicazione.
Un’altra osservazione riguarda gli elevati costi, per cui questo tipo di reti potrebbero risultare meno convenienti da un punto di vista economico rispetto a reti tradizionali protette con crittografia post-quantum. In questo paradigma, la sicurezza delle reti tradizionali può essere rinforzata utilizzando nuovi algoritmi crittografici in grado di resistere ad attacchi condotti con il computer quantistico per decifrare le chiavi crittografiche. Trovando applicazione nelle reti già esistenti, i sistemi crittografici post-quantum non necessiterebbero di investimenti per creare una nuova infrastruttura fisica. Infine, occorre smentire seccamente quanti – riferendosi alle infrastrutture critiche – affermano che le tecnologie di comunicazione quantistica potranno assicurare la sicurezza e l’affidabilità delle comunicazioni, che peraltro sono aspetti distinti seppure collegati. Vi sono infatti svariati modi in cui l’affidabilità e la sicurezza delle informazioni scambiate ed elaborate dalle infrastrutture critiche può essere compromessa. Ciò prescinde dalla tecnologia di comunicazione utilizzata, in quanto le vulnerabilità riguardano il fattore umano, nonché il funzionamento stesso e la complessità delle infrastrutture critiche.

L’ordine delle fragilità

Un primo fattore di fragilità è proprio quello umano, esposto a errori e ad attacchi di ingegneria sociale. Si ritiene che alcuni famosi attacchi a infrastrutture critiche, come il caso del malware Stuxnet che ha colpito la centrale nucleare iraniana di Natanz tra fine 2009 e inizio 2010, siano partiti proprio da operatori umani che hanno introdotto chiavette USB infettate nei sistemi informatici. Pertanto a poco servirebbe avere comunicazioni sicure se i sistemi informativi delle infrastrutture critiche rimangono esposti ad attacchi che sfruttano l’anello debole del fattore umano.
Un secondo fattore riguarda il funzionamento delle infrastrutture di comunicazione e dei vari sistemi utilizzati sia a livello hardware che software. Il recente caso SolarWinds dimostra come attori malevoli possano sfruttare vulnerabilità e back-doors scoperte nei sistemi applicativi, come la piattaforma Orion usata da SolarWinds per il monitoraggio e la gestione della rete. Attacchi come questo hanno permesso a gruppi organizzati di attori malevoli di spiare per mesi enti governativi USA e aziende di vari Paesi. Per quanto sia sicuro il canale fisico e il meccanismo di crittografia utilizzato la complessità dei moderni sistemi informativi rende irrealistica qualsiasi affermazione di perfetta sicurezza e affidabilità. Proprio la crescente complessità è un altro fattore chiave di vulnerabilità delle infrastrutture critiche, che sono sempre più esposte a problemi sistemici, inclusi quelli di scambio ed elaborazione delle informazioni.
Infine, sussistono rischi legati ad attacchi che renderebbero inefficace le apparecchiature elettroniche, incluse quelle necessarie al funzionamento delle reti quantistiche. Esempi di questi attacchi sono quelli portati tramite impulsi elettromagnetici, ottenuti facendo detonare bombe nucleari ad alta quota. Questi e altri tipi di minacce renderebbero inservibile qualunque mezzo di comunicazione, a prescindere del fatto che adottino tecnologie quantistiche o tradizionali.

Spunti di approfondimento

Al lettore interessato consigliamo di rivedere gli interventi del workshop su EuroQCI organizzato da Francesco Cataliotti, Davide Bacco e Alessandro Zavatta nell’ambito della conferenza ITASEC2021, dove su iniziativa e con il coordinamento di Enrico Prati abbiamo anche organizzato un workshop sul tema della quantum security, con interventi di importanti aziende e ricercatori, tra i quali coloro che scrivono.