European Quantum Communication Infrastructure: la nuova frontiera della sicurezza informatica

L’EuroQCI integrerà tecnologie e sistemi quantistici nelle infrastrutture in fibra ottica e includerà un segmento spaziale che assicurerà una copertura completa in tutta l’UE e in altri continenti, rendendo possibile una comunicazione ultrasicura tra le infrastrutture critiche. Ecco di cosa si tratta e perché è fondamentale

Lo sviluppo di un’infrastruttura quantistica di comunicazione costituisce un prerequisito fondamentale affinché l’Europa possa competere sul piano internazionale.

Per affrontare questa sfida, nel 2018 è stata lanciata la Quantum Technologies Flagship, un’iniziativa di ricerca a lungo termine finanziata dall’UE che riunisce istituti di ricerca, industria e finanziatori pubblici con un budget di 1 miliardo di euro per dieci anni. All’interno di questa iniziativa è stata firmata nel giugno 2019 la dichiarazione EuroQCI (European Quantum Communication Infrastructure) da 26 Stati membri dell’UE, i quali hanno iniziato a lavorare con la Commissione e il sostegno dell’Agenzia spaziale europea (ESA) allo sviluppo di un’infrastruttura di comunicazione quantistica sicura che copra l’intera Unione.

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L’iniziativa europea e gli interessi in gioco

Questa dichiarazione si basa in parte sui progressi tecnologici realizzati dai programmi spaziali dell’ESA per aumentare significativamente le capacità dell’Europa nelle comunicazioni ottiche e nella sicurezza informatica. L’EuroQCI integrerà tecnologie e sistemi quantistici nelle infrastrutture di comunicazione convenzionali in fibra ottica e includerà un segmento spaziale che assicurerà una copertura completa in tutta l’UE e in altri continenti, rendendo possibile una comunicazione ultrasicura tra le infrastrutture critiche e le istituzioni governative in tutta l’Unione, grazie allo sviluppo di sistemi crittografici innovativi e sicuri.

La recente espansione dell’informatica quantistica è infatti dovuta alla necessità di un maggior grado di sicurezza delle reti di comunicazione, essendo quest’ultime di importanza strategica per consumatori, imprese e governi. L’Europa ha difatti interesse a proteggere i suoi principali asset digitali e garantire la sicurezza dei dati sensibili e di quelli strategici.

I cyber attacchi hanno un impatto significativo sulle infrastrutture critiche, molte delle quali sono informatizzate, utilizzano cioè servizi in rete per il loro corretto funzionamento. L’interruzione delle tecnologie dell’informazione e della comunicazione (ICT) può perciò avere conseguenze disastrose per i governi e il benessere dei cittadini dell’Unione. Le infrastrutture critiche, come le centrali elettriche, i sistemi di trasporto, gli impianti di produzione, sono controllate e monitorate da sistemi di controllo industriale (ICS). Oggi gli ICS sono per lo più basati su sistemi embedded e spesso usano software off-the-shelf. Questo comporta una riduzione dei costi e una maggiore facilità d’uso, ma allo stesso tempo aumenta l’esposizione ad attacchi informatici. Dunque, la necessità di assicurare la robustezza delle infrastrutture critiche contro i cyber-attacchi è una sfida chiave a livello nazionale e paneuropeo.

Basti pensare a come le smart grid o reti intelligenti miglioreranno sostanzialmente il controllo del consumo e della distribuzione di elettricità a beneficio dei consumatori, dei fornitori di elettricità e degli operatori di rete. Tuttavia, il miglioramento delle operazioni e dei servizi avverrà al costo di rendere la rete più vulnerabile esponendola a nuovi pericoli informatici, in particolare per ciò che concerne le reti di trasmissione e i sistemi informativi.

Un altro esempio di infrastruttura strategica la cui messa in sicurezza è imperativa è costituito dai sistemi di navigazione satellitare (Gnss) che permettono a dispositivi elettronici dotati di appositi ricevitori, di localizzarsi precisamente in un qualsiasi punto della Terra, un servizio oggi fondamentale per governi, istituzioni, aziende e cittadini. Per questo motivo i responsabili dello sviluppo di questi sistemi stanno considerando l’utilizzo della crittografia quantistica per rendere sicure sia le comunicazioni intra satellitari all’interno della costellazione, che quelle tra satelliti e stazioni di controllo terrestri. Alla base del corretto funzionamento dei sistemi Gnss vi è infatti la capacità di scambiare in maniera sicura dati e segnali di controllo con i satelliti della costellazione, sfruttando tipicamente le comunicazioni radio. Questi segnali radio sono crittati con tecniche standard di crittografia classica. Tuttavia, questa tecnica risulta essere più vulnerabile rispetto ai nuovi standard di sicurezza garantiti dalle tecnologie quantistiche.

Da ciò la necessità di rendere sicure le infrastrutture critiche europee e i suoi sistemi di crittografia contro le minacce informatiche, proteggendo le reti energetiche intelligenti, il controllo del traffico aereo, le banche, le strutture sanitarie e altro ancora da attacchi informatici.

La seconda rivoluzione quantistica

All’inizio del ventesimo secolo gli scienziati hanno imparato a comprendere e applicare le leggi della meccanica quantistica, ossia le interazioni tra molecole, atomi e tra particelle più piccole come i fotoni e gli elettroni, dando il via alla prima rivoluzione quantistica. L’applicazione della meccanica quantistica in vari settori ha permesso di realizzare laser, microprocessori e più in generale tecnologie applicabili a computer, telecomunicazioni, navigazione satellitare, smartphone, diagnostica medica e molto altro.

Attualmente è in atto la seconda rivoluzione quantistica. I ricercatori sono in grado di manipolare le interazioni fisiche tra le singole particelle per sviluppare nuove tecnologie e sistemi che sfruttano le proprietà della meccanica quantistica. Questi sviluppi hanno consentito notevoli progressi tecnici in molti ambiti, tra cui il calcolo quantistico, i sensori, la crittografia e le telecomunicazioni.

Come accaduto durante la prima rivoluzione quantistica, sta emergendo un’intera generazione di nuove tecnologie il cui potenziale impatto economico e sociale è molto elevato. Alcune di queste sono già in fase di sperimentazione, altre potranno essere realizzate nei prossimi anni solo grazie a un ingente attività di ricerca e sviluppo. Nonostante ciò, John Morton, direttore del UCL Quantum Science and Technology Institute, afferma che nel settore del calcolo quantistico il vero limite non è costituito dai finanziamenti ma dalla capacità degli Stati di attrarre esperti nei campi della meccanica quantistica, della fisica e dell’informatica trattandosi di un settore altamente multidisciplinare. Tuttavia, la competizione generata dalla corsa alla supremazia quantistica ha dato il via a massicci investimenti globali. A livello comunitario soltanto un solido coordinamento dell’attività di ricerca e sviluppo consentirà all’Europa di competere realisticamente con i concorrenti internazionali, in particolare Cina, attuale leader della competizione, Corea del Sud, Giappone e Stati Uniti.

I vantaggi della crittografia quantistica e la visione a lungo termine

Come già detto, l’infrastruttura QCI consisterà in un segmento terrestre che utilizzerà le reti di comunicazione in fibra esistenti e un segmento spaziale che assicurerà una copertura completa in tutta l’UE e in altri continenti. Nello specifico, uno degli obiettivi è quello di utilizzare le tecnologie satellitari per fornire servizi di Quantum Key Distribution (QKD), che non sarebbe possibile sviluppare con le sole soluzioni terrestri attualmente conosciute. QKD è una forma estremamente sicura di crittografia, essa utilizza i principi della meccanica quantistica per fornire una chiave sicura al mittente e al destinatario di un messaggio criptato in modo tale che ogni intercettazione venga rilevata. QKD può proteggere i dati confidenziali, le reti elettriche, le comunicazioni governative e le transazioni digitali e allo stesso tempo sarà in grado di fornire servizi di autenticazione e firme digitali. L’elevata protezione dei dati sensibili e strategici sarà possibile grazie all’implementazione di reti quantistiche che utilizzano i fotoni, i quali garantiscono un elevato grado di sicurezza grazie al principio di indeterminazione di Heisenberg e dunque grazie alla loro capacità di rilevamento di qualunque parte terza che cercasse di penetrare nella trasmissione del messaggio crittografato. L’utilizzo di stati fotonici quantistici rende la distribuzione delle chiavi immune da vulnerabilità poiché i fotoni che compongono il messaggio sono polarizzati in un determinato modo (entangled) e dunque se le particelle quantistiche che compongono il messaggio criptato trasmesso arrivano al destinatario in uno stato diverso da quello iniziale significa che il messaggio è stato intercettato e la chiave non è più sicura. Al contrario, in crittografia classica è impossibile sapere con certezza se un intercettatore stia controllando un messaggio, perché l’informazione classica può essere copiata senza cambiare il messaggio originale. Infatti, l’informazione deve essere codificata in un sistema fisico (un pezzo di carta, segnali radio, ecc.) e la sua intercettazione può avvenire senza essere scoperti.

Il servizio QKD trasmetterà dunque chiavi di crittografia attraverso canali di comunicazione quantistica sia su fibra ottica terrestre che su collegamenti laser spaziali.

L’obiettivo a lungo termine della Quantum Technologies Flagship prevede che la rete QCI diventi la spina dorsale dell’Internet quantistico europeo, il quale, collegando computer quantistici che hanno una maggiore potenza di calcolo, simulatori e sensori tramite reti quantistiche permetterà analisi e previsioni con un’accuratezza senza precedenti su scala globale e in totale sicurezza.

In Europa, diversi paesi hanno iniziato a sviluppare le loro infrastrutture di comunicazione quantistica. Per esempio, una rete quantistica è in via di sperimentazione nei Paesi Bassi tra Amsterdam, Delft, Leiden e L’Aia come primo passo verso un futuro Internet quantistico. Una dorsale quantistica italiana è in fase di sviluppo tra Frejus e Matera. Sono in corso anche attività sperimentali in altri Stati Membri tra cui Germania, Francia, Polonia e Austria, e paesi associati come la Svizzera o il Regno Unito.

Inoltre, alla fine di maggio 2021 la Commissione ha individuato un consorzio di aziende e istituti di ricerca per studiare la progettazione della futura rete europea di comunicazione quantistica. Il consorzio europeo guidato da Airbus è composto da Leonardo, Orange, PwC France e Maghreb, Telespazio (una joint venture Leonardo e Thales 67/33), il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) e l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM). Lo studio di 15 mesi stabilirà i dettagli del sistema end-to-end e progetterà il segmento terrestre che supporta il servizio QKD. Sosterrà inoltre la Commissione europea nella progettazione di un’infrastruttura avanzata di test e convalida QCI. La Commissione svilupperà una tabella di marcia dettagliata per l’implementazione, compresi i costi e la tempistica di ogni fase dell’implementazione. L’obiettivo è quello di far funzionare un dimostratore EuroQCI entro il 2024 e un servizio operativo iniziale entro il 2027.

Limiti all’implementazione della QCI

Infine, un progetto di così vasta portata non è privo di ostacoli e sfide tecnologiche da affrontare. Sebbene l’informazione quantistica risulti essere estremamente sicura, essa presenta vari limiti, tra i quali il fatto di non poter essere trasmessa attraverso ripetitori convenzionali. Sono perciò necessari ripetitori basati su nodi fidati o dispositivi completamente quantistici, che coinvolgano satelliti per raggiungere distanze globali. Queste tecnologie non sono ancora presenti sul mercato e ci vorranno anni di ricerca e sviluppo affinché vengano realizzate e commercializzate.

Inoltre, le attuali tecnologie per il QKD a terra hanno un limite di distanza: attualmente funzionano solo su distanze inferiori a 500 km, sebbene la loro gamma di comunicazione possa essere estesa impiegando satelliti dotati di collegamenti ottici di alta qualità. Con una capacità QKD satellitare, le chiavi crittografiche potrebbero essere distribuite agli utenti situati ovunque all’interno della copertura satellitare. Diversi satelliti collegati tra loro che utilizzano tecnologie QKD potrebbero collegare reti di utenti terrestri, marittimi, aerei e spaziali. L’obiettivo è dunque quello di trovare la combinazione ottimale di satelliti in orbita terrestre bassa, media e geostazionaria. Le soluzioni ideali dovranno soddisfare le esigenze degli utenti e, allo stesso tempo, essere compatibili con l’architettura terrestre.

Infine, la principale limitazione delle comunicazioni quantistiche deriva dal fatto che i segnali quantistici sono molto più deboli delle comunicazioni classiche e per di più sono soggetti allo stesso livello di attenuazione nella loro propagazione. Perciò, il classico concetto di ripetitore non è più applicabile nella comunicazione quantistica ponendo non pochi problemi infrastrutturali.

Conclusioni

Il Vecchio Continente è stato per lungo tempo leader mondiale nella ricerca scientifica. Il proprio capitale umano, esperto e formato, e la connessione tra comunità scientifica e mondo industriale, permetteranno all’Europa di sviluppare un settore quantistico competitivo e redditizio. Questi due fattori, uniti agli ingenti investimenti nello sviluppo di tecnologie quantistiche, derivanti da capitale privato e investimenti pubblici, assicureranno il successo europeo nel campo dell’informatica quantistica.

Lo sviluppo di un’infrastruttura quantistica di comunicazione, e dunque di un Internet quantistico, costituisce un prerequisito fondamentale affinché l’Europa possa competere sul piano internazionale. I confini degli stati, infatti, risultano sempre più opachi estendendosi fino al cyberspazio, luogo in cui sta avvenendo una redistribuzione, o consolidamento, dei centri di potere.

L’interesse strategico nello sviluppo di tecnologie quantistiche è perciò indispensabile per garantire la protezione delle infrastrutture critiche europee e dei suoi asset strategici con un adeguato livello di segretezza e sicurezza. Inoltre, l’Europa non può rischiare in alcun modo di trovarsi in una posizione di inferiorità in termini di sovranità digitale nello scacchiere geopolitico.