Il Turing Award va ai pionieri della crittografia quantistica Bennett e Brassard

La scelta dell’ACM (Association for Computing Machinery) di assegnare il Turing Award 2025 a Charles H. Bennett e Gilles Brassard non rappresenta soltanto un riconoscimento individuale, ma fotografa l’evoluzione di un’intera area scientifica che ha ridefinito il concetto stesso di informazione.

Dalla metà del Novecento, quando Claude Shannon formalizzò i limiti teorici della comunicazione sicura, fino alle attuali sperimentazioni su reti quantistiche distribuite, la sicurezza e il calcolo hanno attraversato trasformazioni profonde. In questo percorso, la convergenza tra fisica quantistica e informatica ha introdotto strumenti radicalmente nuovi, capaci di superare vincoli ritenuti insormontabili. Il lavoro di Bennett e Brassard si colloca al centro di questa traiettoria, con risultati che oggi influenzano infrastrutture critiche, ricerca accademica e strategie industriali su scala globale.

Dal limite di Shannon alla sicurezza basata sulla fisica

Nel 1949, Claude Shannon dimostrò che la segretezza perfetta richiede una chiave lunga almeno quanto il messaggio, condivisa preventivamente tra le parti. Questa condizione, pur teoricamente impeccabile, risultava impraticabile su larga scala.

L’introduzione della crittografia a chiave pubblica negli anni Settanta aggirò il problema sfruttando la difficoltà computazionale di specifiche operazioni matematiche, come la fattorizzazione di grandi numeri interi.

La solidità di tali schemi dipende tuttavia da ipotesi sulla complessità computazionale.

Con l’algoritmo di Shor del 1994, si dimostrò che un computer quantistico sufficientemente avrebbe potuto violare algoritmi come RSA ed ECC (Elliptic Curve Cryptography). In questo contesto emerge la rilevanza del protocollo BB84, introdotto nel 1984 da Bennett e Brassard, che propone un approccio completamente diverso: la sicurezza non si basa su problemi difficili, ma sulle leggi fondamentali della meccanica quantistica.

BB84 e la distribuzione quantistica delle chiavi

Il protocollo BB84 utilizza principi fondamentali della meccanica quantistica, come il principio di indeterminazione (che impedisce di misurare con precisione simultanea alcune proprietà di una particella) e il teorema di non clonazione (che vieta di copiare esattamente uno stato quantistico), per assicurare che qualsiasi tentativo di intercettazione della comunicazione sia rilevato e che lo scambio di informazioni rimanga sicuro.

In pratica, una chiave segreta è codificata in stati quantistici di singoli fotoni. Qualsiasi tentativo di intercettazione altera inevitabilmente lo stato dei qubit, introducendo errori rilevabili durante la fase di verifica. I qubit sono le unità fondamentali dell’informazione quantistica: la loro alterazione introduce anomalie che possono essere individuate nella fase di controllo della trasmissione.

Dal punto di vista pratico, i moderni sistemi di distribuzione quantistica delle chiavi (quantum key distribution, QKD) impiegano laser a bassa intensità, progettati per emettere impulsi molto deboli, e rivelatori in grado di identificare singoli fotoni, cioè le particelle elementari della luce.

Per garantire la sicurezza della chiave anche quando il canale è disturbato da rumore o interferenze, vengono inoltre applicati algoritmi specifici: quelli di correzione degli errori, che eliminano le discrepanze tra le informazioni trasmesse e ricevute, e la privacy amplification, una tecnica che riduce eventuali informazioni intercettate da un attaccante, producendo una chiave finale realmente sicura.

Varianti operative del BB84 sono già state adottate in reti in fibra ottica con distanze superiori ai 100 km e, in scenari sperimentali, tramite comunicazioni satellitari come nel caso del satellite cinese Micius.

Teletrasporto quantistico e informazione distribuita

Nel 1993 Bennett e Brassard, insieme ad altri collaboratori, descrissero il fenomeno del quantum teleportation, un protocollo che consente di trasferire lo stato quantico di una particella a distanza senza spostare fisicamente la particella stessa. Il meccanismo del trasporto quantistico si basa sull’entanglement, una correlazione non classica tra sistemi quantistici.

Il processo si basa su tre componenti fondamentali: una coppia di particelle entangled (cioè correlate quantisticamente in modo tale che lo stato di una dipende istantaneamente dall’altra) condivisa tra mittente e destinatario, una misura congiunta chiamata Bell measurement (una procedura che analizza simultaneamente due stati quantistici) e l’invio di due bit di informazione classica.

Durante l’operazione, lo stato quantico originale viene distrutto e successivamente ricostruito in un’altra posizione, nel rispetto del teorema di non clonazione, che impedisce di copiare perfettamente uno stato quantistico. Dal punto di vista ingegneristico, il teletrasporto è una tecnologia chiave per lo sviluppo di reti quantistiche distribuite, nelle quali è necessario trasferire stati quantistici tra diversi nodi mantenendo intatta la coerenza, cioè la proprietà che consente al sistema di conservare le sue caratteristiche quantistiche senza degradarsi.

Distillazione dell’entanglement e comunicazione su larga scala

Nel 1996, i due ricercatori introdussero il concetto di entanglement distillation, una tecnica che consente di ottenere coppie entangled ad alta fedeltà a partire da stati rumorosi. Il metodo utilizza operazioni locali e comunicazione classica per filtrare le componenti meno coerenti, migliorando la qualità delle risorse quantistiche disponibili.

Questa tecnica si rivela fondamentale per l’estensione delle comunicazioni quantistiche su lunghe distanze.

I canali fisici, come fibre ottiche e collegamenti satellitari, introducono inevitabilmente decoerenza e perdite. La distillazione, combinata con ripetitori quantistici, permette di rigenerare l’entanglement lungo la rete, aprendo la strada a un’infrastruttura globale per la trasmissione di informazione quantistica.

Un’eredità scientifica che guida l’ingegneria quantistica

La collaborazione tra Bennett e Brassard ha unito due domini che per decenni hanno proceduto separatamente.

La fisica ha fornito i principi fondamentali, mentre l’informatica ha trasformato tali principi in strumenti operativi. Il risultato è una disciplina rigorosa, la scienza dell’informazione quantistica, che oggi guida investimenti miliardari e programmi di ricerca internazionali.

Il riconoscimento con il Turing Award (qui la lista completa dei riconoscimenti assegnati a partire dagli anni ’60) arriva in un momento in cui le tecnologie quantistiche stanno passando dalla teoria alla pratica. Le idee introdotte negli anni Ottanta e Novanta – dal BB84 al teletrasporto – costituiscono oggi i mattoni di sistemi reali, in fase di sviluppo nei principali centri di ricerca e nelle aziende tecnologiche.