Nel silenzioso e ad alta posta in gioco mondo della crittografia quantistica, gli scienziati stanno cercando di costruire serrature che non possano essere scassinate, nemmeno da un computer che utilizzi le strane regole della meccanica quantistica. Per decenni, la base di tutta la comunicazione sicura è stata la "funzione unidirezionale", una serratura matematica facile da chiudere ma incredibilmente difficile da aprire senza una chiave specifica. Tuttavia, è emersa una nuova frontiera chiamata Microcrypt, un regno teorico dove i ricercatori sperano di costruire sistemi quantistici sicuri anche se quelle tradizionali serrature unidirezionali non esistono. L'obiettivo è trovare nuovi, più deboli assunti che siano comunque abbastanza forti da proteggere i segreti. Per farlo, hanno proposto nuovi tipi di oggetti digitali, come gli "stati pseudocasuali" e le "unitari pseudocasuali", progettati per apparire come rumore casuale a chiunque non possieda la chiave segreta, ma che sono in realtà generati da un processo specifico e nascosto. La grande domanda è stata se questi nuovi oggetti possano davvero esistere senza fare affidamento sulle vecchie, più forti serrature, o se dipendano segretamente da esse.

Un team di ricercatori dell'Università della California, Santa Barbara, dell'Università dell'Illinois e di NTT Research ha ora risposto a questa domanda con un "no" decisivo per molti dei principali candidati. Hanno sviluppato un nuovo metodo per analizzare questi oggetti quantistici e hanno dimostrato che diverse popolari progettazioni, che si riteneva fossero sicure anche senza le tradizionali funzioni unidirezionali, in realtà falliscono di fronte a un tipo specifico di avversario potente. Il loro lavoro mostra che se si tenta di costruire queste serrature quantistiche utilizzando certi comuni schemi architettonici, si crea involontariamente una funzione unidirezionale tradizionale comunque. Ciò significa che la promessa di costruire la crittografia quantistica su fondamenta più deboli è più difficile di quanto sperato in precedenza, e molte delle attuali progettazioni preferite non sono la soluzione.

La svolta dei ricercatori deriva da una tecnica che chiamano "tomografia d'ombra", ovvero un modo per prendere uno stato quantistico e creare un registro classico compatto di esso. Immaginate di cercare di comprendere la forma di un oggetto complesso e invisibile proiettando luce da diverse angolazioni e registrando le ombre che proietta. Nel mondo quantistico, questo processo comporta la misurazione di copie di uno stato quantistico per raccogliere informazioni sulla sua struttura. Il team si è reso conto che, per una vasta classe di questi stati quantistici proposti, l'informazione raccolta da queste ombre è così strutturata che un computer con accesso a un tipo specifico di aiuto logico — un "oracolo NP" — può usarla per l'ingegneria inversa della chiave segreta. Un oracolo NP è uno strumento teorico che può risolvere istantaneamente certi tipi di problemi di ricerca complessi, agendo come un assistente super-intelligente che può verificare se una soluzione esiste senza dover provare ogni singola possibilità una per una.

I ricercatori hanno dimostrato che, per molti stati quantistici proposti, il processo di ricerca della chiave segreta diventa un semplice compito di ricerca per questo assistente. Hanno mostrato che se lo stato quantistico è "computabile", ovvero i suoi numeri interni possono essere calcolati da un computer standard, allora un avversario con questo aiuto logico può scoprire efficientemente la chiave. Questo rompe effettivamente la sicurezza del sistema. Il team ha applicato questo metodo a un candidato prominente noto come Stati di Fase Hamiltoniana, che era ampiamente ritenuto un blocco di costruzione sicuro per la crittografia senza funzioni unidirezionali. La loro analisi ha dimostrato che questi stati non sono sicuri; se esistono, implicano l'esistenza di una tradizionale funzione unidirezionale. Questo risultato frantuma la speranza che questa specifica progettazione potesse bypassare la necessità di assunti più forti.

L'indagine non si è fermata agli stati. I ricercatori hanno rivolto la loro attenzione anche alle "unitari pseudocasuali", che sono operazioni quantistiche più complesse che trasformano i dati in un modo che appare casuale. Queste sono considerate gli strumenti più potenti nel toolkit della Microcrypt. Il team ha identificato un comune schema architettonico utilizzato in molte delle progettazioni più promettenti per queste unitari: una struttura in cui uno strato semplice e prevedibile è incastrato tra due strati di operazioni "Clifford", che sono un tipo specifico di porta quantistica. Hanno scoperto che questa specifica disposizione, nota come costruzione CMC, lascia un'impronta digitale distinta. Utilizzando un tipo speciale di misurazione che coinvolge coppie di particelle entangled, potevano estrarre indizi classici sulla permutazione nascosta all'interno dello strato centrale. Con l'aiuto dell'assistente logico, potevano quindi cercare una chiave che spieghi tutti gli indizi osservati. Se l'unitaria fosse stata veramente casuale, nessuna singola chiave spiegherebbe mai tutti gli indizi. Ma se era costruita usando questa specifica architettura, la chiave corretta si adatterebbe sempre perfettamente agli indizi.

Questa scoperta significa che una vasta gamma di recenti proposte per unitarie quantistiche sicure, incluse quelle esplicitamente progettate per evitare le funzioni unidirezionali, sono in realtà vulnerabili. I ricercatori hanno dimostrato che queste progettazioni possono essere distinte dalla vera casualità e che le loro chiavi segrete possono essere recuperate. Hanno testato il loro metodo contro diverse costruzioni ben note, come quelle basate su strutture "PFC" (Permutation-Function-Clifford) e varie progettazioni "LRFC" (Luby-Rackoff-Function-Clifford). In ogni caso in cui lo strato centrale era una permutazione o uno spostamento di fase semplice, l'attacco ha avuto successo. Il team ha dimostrato che queste architetture non possono essere la base per la Microcrypt perché portano inevitabilmente alla riesistenza di funzioni unidirezionali, vanificando lo scopo di cercare di costruire la crittografia su assunti più deboli.

Tuttavia, l'articolo non chiude del tutto la porta alla Microcrypt. I ricercatori hanno mappato attentamente quali progettazioni sono sopravvissute al loro attacco e quali no. Hanno scoperto che le costruzioni che coinvolgono molteplici strati sovrapposti di miscelazione o che utilizzano operazioni segrete non-Clifford negli endpoint potrebbero ancora essere sicure. Questi candidati sopravvissuti sono ora l'oggetto della ricerca futura. Il lavoro funge da guida cruciale, o da insieme di guardrail, per il campo. Dice agli scienziati cosa non costruire, impedendo loro di sprecare tempo su schemi che sono fondamentalmente difettosi. Escludendo questi approcci comuni, i ricercatori hanno costretto la comunità a cercare architetture fondamentalmente diverse che non creino involontariamente funzioni unidirezionali.

Le implicazioni di questo lavoro sono profonde per il futuro della sicurezza quantistica. Chiariscono che la strada per costruire la crittografia quantistica senza funzioni unidirezionali è più stretta e più pericolosa di quanto precedentemente pensato. I ricercatori hanno fornito un metodo rigoroso per testare le nuove proposte, assicurando che le future progettazioni non siano solo teoricamente interessanti, ma anche realmente sicure contro gli attacchi più potenti conosciuti. Le loro scoperte suggeriscono che, se la Microcrypt deve essere realizzata, richiederà modi completamente nuovi di pensare alle operazioni quantistiche, allontanandosi dai modelli familiari che hanno dominato il campo finora. Il lavoro è una testimonianza della potenza dell'analisi sistematica nella scienza, dove dimostrare ciò che non funziona è altrettanto importante quanto scoprire ciò che funziona.