Il futuro della Cybersecurity è quantistico

Lo sviluppo di computer quantistici sta procedendo rapidamente, più di quanto fosse possibile prevedere soltanto pochi anni fa. I recenti risultati sul raggiungimento della supremazia quantistica, ovvero la capacità di un computer quantistico di risolvere problemi che non possono essere risolti da nessun computer tradizionale, fanno sperare nella possibilità di utilizzare questi strumenti anche in applicazioni d’interesse pratico. In queste applicazioni, però, potrebbe essere messa a rischio la sicurezza degli attuali protocolli di crittografia dei dati nelle reti di comunicazione. Ericsson è estremamente attiva nella ricerca di algoritmi di crittografia post-quantistica, lo scopo finale è di canonizzare nuovi protocolli standard per algoritmi in grado di resistere ad attacchi di computer quantistici. In qualità di invited speaker, ho presentato i risultati delle attività di Ericsson a ITASEC, la più importante conferenza italiana sulla Cybersecurity.

I risultati raggiunti fino ad ora nell’applicazione dei computer quantistici alla risoluzioni di problemi matematici anticipano un futuro entusiasmante, in cui i computer quantistici potranno svolgere compiti di interesse pratico, come l’ottimizzazione delle risorse all’interno di sistemi complessi, con molte variabili d’ingresso e molti vincoli. Esempi di tali applicazioni coinvolgono la gestione della rete ferroviaria, in cui le risorse sono rappresentate dai treni e i vincoli sono i binari disponibili; oppure le reti di comunicazione, in cui le risorse sono i pacchetti d’informazione trasmessi dai dispositivi e i vincoli vengono dai limiti di banda e di instradamento del traffico dati nella rete. Questi problemi, oggi affrontati in maniera empirica, potranno essere risolti in maniera esatta da un computer quantistico. I computer quantistici potranno anche migliorare notevolmente l'esperienza dell'utente, rendendo le risorse di calcolo quantistico disponibili “as-a-service” nella rete, come accade nell'attuale Cloud, che permetteranno di distribuire i costi del calcolo tra più utenti rendendolo accessibile a tutti. Inoltre, saranno possibili nuove tecnologie di tutela della privacy attraverso tecniche di calcolo quantistico “cieco”, in cui un utente può cooperare o delegare il calcolo ad altri utenti sconosciuti; e algoritmi di consenso, per creare strutture dati distribuite affidabili.

La rivoluzione dei computer quantistici

Ciò che distingue un computer quantistico da uno tradizionale è la natura dei bit che conservano l’informazione. Nei computer tradizionali, un bit può assumere i valori 0 oppure 1. In un computer quantistico, invece, l’informazione è contenuta nei qubit in cui due valori sono presenti conemporaneamente in sovrapposizione (come se un oggetto potesse essere bianco e nero allo stesso tempo). Si tratta di una proprietà sconcertante della fisica fondamentale che non trova riscontro nella normale vita quotidiana. Sfruttando questo particolare principio sono stati sviluppati degli algoritmi in grado di risolvere in maniera efficiente problemi che sarebbe impossibile svolgere in un intervallo di tempo funzionale con un computer tradizionale. Alcuni esempi sono l’algoritmo di Shor per fattorizzare grandi numeri interi e l’algoritmo di Grover per la ricerca di dati in grandi database non strutturati.

Si ritiene che utilizzando questi algoritmi sarà possibile, in futuro, violare i codici e i protocolli di sicurezza  utilizzati per proteggere i nostri dati nelle reti di comunicazione e nei dispositivi ad esse collegate. Si tratta tuttavia di una minaccia molto lontana nel tempo, a causa dei grandi limiti tecnologici che bisogna ancora superare per ragiungere la potenza di calcolo sufficiente. Ad esempio, Il computer quantistico utilizzato per rivendicare la supremazia quantistica aveva a disposizione 54 qubit, mentre ne servirebbero migliaia per violare un qualsiasi algoritmo crittografico.

Il futuro della crittografia

Nonostante la tecnologia abbia ancora molta strada da percorrere, si prevede che i futuri computer quantistici potrebbero decodificare un gran numero di algoritmi attualmente utilizzati.

Lo scambio di chiavi, l'autenticazione della firma e la crittografia a chiave pubblica utilizzano tipicamente algoritmi che si basano su problemi matematici difficili da risolvere per un computer tradizionale. Tuttavia, molti si basano sulla fattorizzazione di numeri interi o sul calcolo di logaritmi discreti e queste sono operazioni che, in linea di principio, i computer quantistici possono risolvere utilizzando l'algoritmo di Shor. Altri tipi di algoritmi attualmente utilizzati, ad esempio per proteggere l'integrità dei dati, sono considerati più robusti e meno suscettibili a un eventuale attacco da parte di computer quantistici. Il National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti sta portando avanti un progetto di standardizzazione della Post Quantum Cryptography (PQC) che permette di valutare l’efficacia degli algoritmi di crittografia contro i metodi di calcolo quantistici. La prima bozza dello standard è prevista tra il 2022 e il 2024 e il Governo statunitense ha annunciato che inizierà la transizione alla crittografia post-quantistica dopo il completamento dello standard nel 2024, come evoluzione della Commercial National Security Algorithm Suite, utilizzata per la protezione delle informazioni, fino al livello “top secret”. È verosimile che il processo di transizione Statunitense non sarà completato prima del 2030, dimostrazione che mancano ancora alcuni anni per computer quantistici sufficientemente potenti.