Nasce a Napoli la prima rete di comunicazione quantistica multi-nodi metropolitana permanente. Via libera alla sperimentazione di nuovi protocolli da usare nelle telecomunicazioni e nelle trasmissioni di dati sensibili, garantendo uno scambio di informazioni intrinsecamente inviolabile.
Tutto ciò avviene grazie ai principi della meccanica quantistica, aprendo un nuovo paradigma nella sicurezza dei dati e significativi cambiamenti in molti settori nei quali la crittografia e più in generale la sicurezza risulta fondamentale.
Il nuovo paradigma può fare la differenza in molteplici settori. I principali sono, per esempio, la telemedicina, le comunicazioni governative, la telegestione e il telecontrollo di infrastrutture critiche, la guida autonoma, il telecontrollo dei processi produttivi.
Il progetto porta la firma di istituzioni, mondo accademico e realtà imprenditoriali tutte made in Italy. In particolare rappresenta una delle priorità del centro di competenza Meditech 4.0 per lo sviluppo di strumenti all’avanguardia al servizio delle imprese del territorio.
L’iniziativa, supportata e coordinata dal Ministero per le Imprese e del Made in Italy (Mimit), ha visto la partecipazione dell’Università di Napoli Federico II. Gli altri attori protagonisti sono il Centro Nazionale delle Ricerche Cnr-Ino, l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica INRiM, oltre a Leonardo, QTI - Quantum Telecommunication Italy, Tim, Telsy, ThinkQuantum, Cisco ed Exprivia.
Cos'è una rete di comunicazione quantistica
Entrando nel cuore del progetto, innanzitutto facciamo luce su cosa sia e a cosa serve una rete di comunicazione quantistica.
“Chiarirei, prima di tutto, cosa si intende per sistemi di Quantum Key Distribution (Qkd), ovvero per sistemi di cifratura inattaccabili – spiega Giampiero Pepe, professore di Fisica Sperimentale - Dipartimento di Fisica “E. Pancini”, Università di Napoli Federico II –. In generale, non bisogna confonderli con i sistemi di crittografia quantistica, che coinvolgono l’utilizzo di computer quantistici ancora non del tutto accessibili, ma rappresentano solo la parte che gestisce un canale di scambio di chiavi di crittografia.”
“Il primo protocollo di distribuzione di chiavi quantistiche fu introdotto nel 1984 da Bennett e Brassard (cfrBB84); già nella sua prima versione la Qkd appariva chiaramente come un metodo per risolvere il problema della distribuzione di chiavi segrete tra due nodi comunicanti su un canale non sicuro perché passabile di intercettazione. La Qkd risolve questo problema utilizzando le leggi della meccanica quantistica: qualsiasi tentativo da parte di un hacker di intercettare la comunicazione tra due nodi introduce inevitabilmente disturbi che possono essere rilevati.”
Il progetto ha beneficiato di una avanzata integrazione fra le componenti tecnologiche fondamentali di una soluzione di comunicazioni sicure Qkd: l’infrastruttura in fibra ottica di Tim, i terminali quantistici di QTI e TQ, le cifranti classiche di Telsy e Cisco, la infrastruttura IQB, la compatibilità con le soluzioni di cyber sicurezza e comunicazioni sicure di Leonardo.
La sicurezza informatica diventa inattaccabile
“In genere – prosegue Pepe – alla base di uno schema a chiave pubblica c’è un problema matematico di complessa (ma non impossibile) risoluzione: la protezione rispetto ad un computer (quello quantistico, per esempio) che può risolvere efficacemente questo problema rappresenta la debolezza del sistema crittografico. Sebbene attualmente non esista un computer quantistico in gradi di assicurare queste performance, è importante però avere a disposizione nuove infrastrutture, formazione per gli sviluppatori, riprogettazione di vecchie applicazioni e nuovi standard crittografici che possano permettere muoversi verso una perfect secrecy. La Qkd può essere una ottima risposta a questa esigenza.”
“La Qkd utilizza le proprietà quantistiche dei fotoni (i.e., scarsa interazione con la materia e capacità di mantenere il proprio stato quantico in un mezzo adeguato, ad esempio una fibra ottica) di effettuare lo scambio di una chiave crittografica simmetrica, che può essere utilizzata per criptare i messaggi scambiati tramite un canale “tradizionale”. La sicurezza della Qkd si basa su una caratteristica fondamentale della meccanica quantistica, il principio di indeterminazione di Heisenberg, per il quale non si può misurare una quantità fisica senza interferire con essa. Detto in altre parole, l’atto di misurare lo stato di un quanto di luce lo distrugge. La sicurezza deriva proprio dal fatto che un eventuale hacker, che cerchi di intercettare uno scambio di informazioni, lascerà inevitabilmente le sue tracce sotto forma di errori della chiave trasmessa, dando la possibilità di interrompere la trasmissione.”
“Altri vantaggi (magari più per addetti ai lavori) della Qkd sono così riassumibili: i) la sua sicurezza deriva esclusivamente dalla teoria dell’informazione, e non dalla ‘presunta’ difficoltà dei problemi matematici usati; le chiavi successivamente scambiate su un canale Qkd sono indipendenti l’una dall’altra.”
I vantaggi in ambito industriale
Realizzare una rete Qkd pratica e di grandi dimensioni rimane ancora una sfida importante nella comunicazione quantistica. La prima infrastruttura permanente di Napoli può rappresentare un primo riferimento per futuri sviluppi.
La rete attuale copre una piccola parte dell’area urbana ma collega tre importanti siti poste in in aree metropolitane di grande interesse per la città di Napoli: area Est all’interno del Campus Universitario Federico II di San Giovanni, vero e proprio presidio tecnologico della città, area flegrea all’interno dell’Area di Ricerca CNR nell’ex Complesso Olivetti di Pozzuoli, e Pomigliano d’Arco dove ha sede il complesso industriale di Leonardo). A questi siti possono accedere università ed enti di ricerca, imprese e cittadini interessati.
Una soluzione pronta per le imprese
“La prima realizzazione punta a implementare una infrastruttura permanente che dia la possibilità alle aziende di testare prodotti di rete di nuova concezione che implementino tecnologia Qkd, garantendo una sostenibilità di costi e interoperabiltà con gli altri sistemi di rete esistenti – commenta Pepe –. Si tratta di una soluzione pronta per imprese ed operatori delle telecomunicazioni, integrata nel funzionamento e nella gestione della rete, in gradi di garantire comunicazioni end-to-end sicure laddove è richiesto un livello di alta sicurezza.”
“L’obiettivo è anche quello di far maturare soluzioni economiche e flessibili verso l’utilizzo nel mercato attraverso diversi casi d’uso e servizi di comunicazione, capaci di funzionare con le attuali reti metropolitane in fibra ottica.”
“Tutto questo non è disgiunto da percorsi di formazione che presso l’Università di Napoli Federico II, anche in collaborazione con altri importanti Università nazionali e Centri di Ricerche (Cnr, Inrim) si stanno consolidando intorno alle tecnologie quantistiche, creando quel serbatoio di conoscenze da cui attingere per supportare l’intero progetto.”
“Inoltre, la possibilità di avere una infrastruttura multi-nodi, in grado di fornire protocolli di comunicazione sicura permette di sviluppare sperimentazioni ibride tra tecnologie emergenti come per esempio la blockchain, rafforzando quei percorsi di sicurezza nello scambio di informazioni di cui oggi che oggi c’è necessità. La rete, guardando allo sviluppo di prodotti pronti per il mercato, ha le potenzialità per poter cogliere le opportunità che vengono da un mercato in fortissima crescita.”
Un altro passo verso la quantum valley
Ora che la rete di comunicazione quantistica multi-nodale è al via, cosa cambierà per il territorio di Napoli con la rete multi-nodale? Quali sono i primi obiettivi?
“Si tratta di un primo passo molto importante per dotare il territorio di una infrastruttura di rete capace di ospitare sperimentazioni di nuovi protocolli di sicurezza, test di prodotti che facciano uso di questa tecnologia, di scambio dati sicuro ad alto contenuto di riservatezza – interviene Angelo Giuliana, direttore generale Meditech -.
"Accanto allo sviluppo di use cases che utilizzano la rete e che attualmente guardano allo sviluppo di protocolli innovativi della firma digitale piuttosto che alla connessione tra siti di interesse sanitario oppure di test di compatibilità tra protocolli Qkd e scambio dati ad alto rate, c’è in programma l’aumento dei nodi attivi e collegati con siti della Pubblica Amministrazione dove poter testare protocolli di scambio di dati sensibili in condizioni di intrinseca sicurezza.”
“Inoltre, si sta lavorando con molti dei partner che hanno contribuito alla sperimentazione della rete verso l’estensione al segmento spaziale, tramite il collegamento con la rete quantistica metropolitana di Matera mediante la Italian Quantum Backbone, i.e. la dorsale in fibra ottica di INRiM dedicata anche alla sperimentazione quantistica, e dalla implementazione di tale tecnologia nel contesto degli Smart Port, seguendo casi di successo già attuati in altre Regioni (e.g. Friuli Venezia Giulia).”
“Infine, una tale infrastruttura rappresenta un ulteriore elemento di rafforzamento dell’ecosistema quantistico presente in Regione Campania, che ha inserito queste tecnologie all’interno della propria programmazione RIS3 ed individuato un percorso di flagship a costruzione di una quantum valley in grado di rafforzare il sistema campano di accademia ed imprese che operano in questo campo.”
