Principi e metodi della crittografia quantistica

For centuries, the need to maintain confidentiality in certain forms of communication among multiple parties has served as the foundation for the progressive refinement of cryptographic methodologies. Particularly, this constant and prolific pursuit is called upon to markedly intensify during epochs characterized by significant advancements in cryptanalysis. The conception of pioneering algorithms, designed for quantum computers and introduced in the 1990s, represents one of those advancements that necessitates the development of novel cryptographic paradigms to sustain the confidentiality of secret message exchanges. This thesis undertakes an exploration of one such solution, widely regarded as among the most advantageous and reliable: quantum cryptography. Following a historical exposition aimed at delineating the prerequisites for an optimally robust cryptographic system, an overview of the principles of quantum mechanics and the discipline that applies this physical theory to the development of computers, quantum computing, is provided. With the fundamental aspects of the subject firmly established, the main quantum cryptography protocols are illustrated, accentuating the paramount significance of this application, particularly in its novel capacity to generate and distribute cryptographic keys in complete secrecy. Furthermore, the thesis explores the key usage within a digital milieu and clarify the physical principles that safeguard confidentiality. Strategies for error correction in transmission and privacy amplification are also discussed. Finally, the quantum teleportation protocol is proposed as a conceptual framework to attribute a quantum-mechanical connotation even to the phases following key creation. The various expositions within the thesis highlight the close connection between reality and information underlying quantum cryptography, an aspect that endows this system with a singular efficacy amidst its contemporaries.

Da secoli la necessità di mantenere segrete alcune tipologie di comunicazione tra più parti si pone come base per lo sviluppo di metodi crittografici sempre più efficaci. In particolare, a questa costante e prolifica ricerca è richiesto di aumentare notevolmente il proprio passo in quei momenti storici che testimoniano importanti avanzamenti dal punto di vista della crittoanalisi. L’ideazione di alcuni algoritmi pionieristici, pensati per calcolatori quantistici e proposti nel corso degli anni Novanta, si configura come uno di quei progressi a cui occorre far fronte con nuovi paradigmi crittografici, al fine di poter continuare a garantire la riservatezza nello scambio di messaggi segreti. Questa tesi affronta una delle possibili soluzioni al problema, ritenuta tra le più vantaggiose e affidabili: la crittografia quantistica. Dopo un inquadramento storico, che ha come obiettivo la specificazione dei presupposti per un sistema di crittografia ottimale, si fornisce una panoramica sui principi della meccanica quantistica e sulla disciplina che si occupa di applicare questa teoria fisica allo sviluppo dei calcolatori, la computazione quantistica. Noti gli aspetti fondamentali alla base dell’argomento in questione, si procede nell’illustrazione dei principali protocolli di crittografia quantistica, evidenziando l'importanza di tale applicazione soprattutto per quanto concerne l’inedita capacità di generare e distribuire le chiavi crittografiche in totale segretezza. Si approfondisce il tema dell’uso della chiave in un contesto digitale e si chiariscono i principi fisici che garantiscono la tutela della riservatezza. Si delineano inoltre le strategie finalizzate alla correzione degli errori nella trasmissione e all’amplificazione della privacy. Si propone infine una procedura in grado di attribuire una connotazione quantomeccanica anche alle fasi che seguono la creazione della chiave quale il protocollo di teletrasporto quantistico. Le varie trattazioni presenti nell’elaborato mettono in luce la stretta connessione tra realtà e informazione alla base della crittografia quantistica, aspetto che permette a questo sistema di emergere tra gli altri noti al presente in quanto dotato di un’efficacia unica nel suo genere.