Avanzamenti straordinari nella fisica: creato il primo “dado quantistico” della storia, generando numeri aleatori veri grazie all’entrelazamento
Un team internazionale di scienziati ha appena compiuto una scoperta che segnerà una svolta epocale nel campo della criptografia e della sicurezza digitale. Per la prima volta, è stato generato un numero davvero aleatorio, completamente imprevedibile, grazie all’uso di un computer quantistico e verificato tramite supercomputer. Questo traguardo rappresenta una pietra miliare che potrebbe trasformare radicalmente il modo in cui concepiamo la generazione di numeri casuali e, più in generale, le tecnologie di sicurezza in tutto il mondo.
Cos’è un numero veramente aleatorio?
Nel nostro quotidiano, il termine “aleatorio” è spesso associato a situazioni di pura casualità, come nel caso di un dado che rotola o di una partita a “carta, forbice, sasso”. Tuttavia, in informatica, la nozione di “aleatorietà” è più complessa di quanto sembri.
I generatori di numeri aleatori che usiamo comunemente non sono realmente aleatori, nel senso più rigoroso del termine. Sebbene possano sembrare casuali, infatti, la loro generazione si basa su algoritmi e formule matematiche. In altre parole, se si conoscono le regole alla base di questi metodi, è possibile anticipare o ricostruire la sequenza di numeri generati.
Anche metodi più sofisticati, come quelli che sfruttano il rumore termico o i movimenti di oggetti come le lava-lampe, non riescono a raggiungere una vera aleatorietà. Questo perché tutte queste fonti sono influenzate dalle leggi della fisica classica.
Solo la meccanica quantistica, con la sua capacità di generare fenomeni totalmente imprevedibili, offre un’autentica aleatorietà. In un sistema quantistico, ad esempio, quando una particella è in uno stato di superposizione, non esiste alcun modo per predire il risultato della sua misurazione. È come se l’universo lanciasse il suo “dado”, senza che nessuno, nemmeno lui stesso, sapesse quale sarebbe il risultato.
Il protocollo che ha reso possibile questa scoperta
Per riuscire a utilizzare la meccanica quantistica come fonte di numeri aleatori, il team di ricerca ha applicato un protocollo altamente sofisticato di verifica, in grado di garantire l’effettiva aleatorietà dei numeri generati. In pratica, è stato creato un gioco tra un “client” (che desidera ottenere numeri aleatori) e un “server quantistico” (che genera i numeri).
Il client invia circuiti quantistici casuali al server, i quali sono complessi al punto che solo un computer quantistico è in grado di risolverli in tempi brevi. Una volta che il server esegue i circuiti e restituisce i risultati, il client utilizza una misura chiamata XEB (cross-entropy benchmarking) per verificare se i numeri ottenuti soddisfano gli standard di aleatorietà attesi.
I ricercatori hanno sottolineato che questo esperimento rappresenta un passo importante verso l’applicabilità pratica dei computer quantistici moderni. Non solo sul piano tecnico, ma anche filosofico, poiché è stato dimostrato che è possibile certificare che i numeri generati non sono stati predeterminati o influenzati da alcuna informazione preesistente nell’universo.
La straordinarietà del processo sperimentale
Questo risultato è stato ottenuto utilizzando il processore quantistico Quantinuum H2-1, che impiega una tecnologia di ioni intrappolati. Durante l’esperimento, i circuiti quantistici sono stati eseguiti in remoto attraverso Internet, dimostrando che tali avanzamenti non richiedono laboratori isolati e possono essere accessibili a chiunque abbia a disposizione un sistema quantistico affidabile.
Più di 60.000 circuiti quantistici sono stati inviati, generando un totale di 30.010 risultati validi. Ogni circuito ha agito come un “dado quantistico”, producendo sequenze di bit così complesse che nessun computer classico sarebbe stato in grado di replicarle nel tempo concesso.
Per convalidare i risultati, sono stati utilizzati alcuni dei supercomputer più potenti del mondo, come Frontier, Summit, Perlmutter e Polaris. Con una potenza combinata superiore a un milione di bilioni di operazioni al secondo (1,1 exaFLOPS), questi supercomputer hanno verificato che i numeri generati corrispondevano al livello di entropia atteso.
71.273 bit di aleatorietà pura: il futuro della criptografia
Il risultato finale di questo esperimento è stato l’estrazione di 71.273 bit di aleatorietà assoluta, utilizzando un processo matematico chiamato estrattore di Toeplitz, che rimuove ogni piccola imperfezione nel processo e conserva solo l’elemento imprevedibile. Questa scoperta è fondamentale per applicazioni come la criptografia e la protezione dei dati, dove è essenziale poter contare su numeri assolutamente casuali per garantire la sicurezza delle comunicazioni.
Anche se il tasso di generazione di bit è ancora modesto — circa 1 bit al secondo — la natura certificata di questi numeri è una vera rivoluzione. I ricercatori hanno osservato che, con miglioramenti futuri del sistema, i tempi potrebbero essere ridotti e la velocità di generazione potrebbe avvicinarsi a standard come quello del NIST Beacon, che emette 512 bit al minuto.
Implicazioni per la sicurezza digitale e la criptografia quantistica
Oltre al valore scientifico, questo avanzamento ha significative implicazioni per la sicurezza su Internet e per il futuro della criptografia quantistica. Se un numero può essere certificato come imprevedibile, senza alcuna possibilità di manipolazione o previsione, allora può essere utilizzato con totale fiducia per determinare risultati equi, proteggere dati sensibili o assegnare risorse in modo imparziale. In futuro, questo protocollo potrebbe essere utilizzato anche per sistemi di verifica multiparte, consentendo a chiunque di controllare l’aleatorietà generata, senza bisogno di affidarsi a una sola entità.
Questa tecnologia, pur non essendo ancora pronta per l’uso quotidiano, ha aperto una nuova era della sicurezza digitale e della comunicazione sicura. La possibilità di generare numeri veramente aleatori certificati rappresenta un vantaggio potente, che potrebbe rivoluzionare la protezione dei dati e garantire la fiducia in ambienti digitali sempre più vulnerabili.
In conclusione, questo esperimento, pubblicato su Nature (titolo: Certified randomness using a trapped-ion quantum processor), dimostra che la generazione di numeri aleatori “certificati” è una realtà tecnologica che potrebbe avere un impatto enorme su diversi settori, dalla sicurezza informatica alla protezione della privacy, alla creazione di sistemi più sicuri per il futuro delle comunicazioni globali.