tecnologie e saperi tra università e impresa
Numero 14 | Anno 6 | Febbraio 2016
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SISTEMI DI SICUREZZA PERFORMANTI

Il progetto SiQuro: la nanofotonica in silicio per applicazioni di crittografia

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di Alessandro Tomasi e Stefano Tondini
Sono assegnisti di ricerca rispettivamente al Dipartimento di Matematica e al Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento.
L’integrazione di fotonica quantistica e microelettronica alla base dello sviluppo di un sistema di comunicazioni sicuro con applicazioni per l’industria. Una collaborazione fra Ateneo e FBK.

Dallo scambio di foto e messaggi di testo alla lettura remota delle utenze, ai sistemi di micro-pagamento mobile di prossimità: è sempre maggiore il numero di applicazioni che richiedono un sistema di comunicazione sicuro.
L’evoluzione delle risorse informatiche, assieme a tecniche di computazione parallela sempre più efficienti, vengono continuamente sfruttate per compromettere la sicurezza di tali sistemi.
I generatori di numeri casuali forniscono la base su cui stabilire e mantenere canali sicuri di comunicazione. I protocolli attualmente più utilizzati per le comunicazioni sicure via rete, dalle chat alle e-mail al commercio online, richiedono una fonte robusta di numeri casuali per operare in sicurezza. Spesso questi generatori sono algoritmi puramente informatici, il cui prodotto è sperabilmente difficile, ma non impossibile da prevedere dato un congruo numero di osservazioni nel tempo. Se poi si conosce interamente lo stato iniziale del sistema, allora la previsione diventa addirittura banale.

Al contrario è fisicamente impossibile a priori prevedere i numeri generati da fenomeni quantistici a causa della loro natura intrinsecamente indeterminata. Questa proprietà, estremamente vantaggiosa dal punto di vista della sicurezza, è oggetto di ricerca nell’ambito del progetto “On silicon quantum optics for quantum computing and secure communications (SiQuro)”, tra i vincitori del bando Grandi Progetti 2012 della Provincia autonoma di Trento. Gli attori principali sono l’Università di Trento e la Fondazione Bruno Kessler (FBK) che collaborano allo sviluppo di un generatore fisico di numeri casuali adatto a scopi crittografici, che sia compatto, robusto e integrabile in altri circuiti.
A tale scopo si è deciso di utilizzare la piattaforma della fotonica in silicio, che coniuga l’integrazione spinta con il basso consumo di energia e l’isolamento dal rumore termico. Applicando il paradigma delle nanotecnologie, sono state ingegnerizzate le proprietà ottiche del silicio portandolo in condizione di emettere luce e al contempo sono state sviluppate teorie quantistiche in grado di descriverne il comportamento. La generazione di numeri casuali avviene attraverso l’accoppiamento della fonte di luce con rivelatori di singoli fotoni all’avanguardia.

Il Laboratorio di Nanoscienze (Nanolab) del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento, diretto da Lorenzo Pavesi, coordina l’intero progetto SiQuro e ha progettato le fonti di luce al silicio. Il Laboratorio di Matematica industriale e Crittografia (CryptoLabTN) del Dipartimento di Matematica, diretto da Massimiliano Sala, ha sviluppato i modelli matematici e i test di funzionamento dei prototipi. I gruppi IRIS e FMPS, Centro Materiali e Microsistemi di FBK, diretti rispettivamente da David Stoppa e Georg Pucker, hanno progettato i sensori, le sorgenti, la logica circuitale e i prototipi nel complesso.
Il progetto ha portato allo sviluppo di diverse architetture per la generazione dei numeri casuali, per le quali un primo brevetto è stato conferito nel 2015, mentre un secondo brevetto è in corso di deposito.
I generatori di numeri casuali attualmente in commercio sono troppo grandi, costosi, e soggetti alle condizioni ambientali per essere adottati in massa. Nell’era in cui la connettività con gli smartphone è ormai indispensabile, dalle macchine per il caffè alle biciclette elettriche, dai frigoriferi di ultima generazione alle action cams, il mercato potenziale per questo prodotto si estende trasversalmente dalla domotica all’automotive. I volumi in gioco sono molto interessanti. Basti pensare ai 7.5 milioni di autovetture ad uso privato vendute ogni anno negli Stati Uniti o al numero di connessioni machine-to-machine che in breve tempo andrà a superare quello delle connessioni per la telefonia mobile, oltre 5 miliardi nel 2015.

Oltre a questa fetta di mercato, che già si profila largamente ricettiva, ancora di più ampio respiro è l’idea di introdurre il prodotto all’interno delle smart cities. Un ecosistema cittadino efficiente dal punto di vista energetico, tecnologicamente avanzato per quanto riguarda i servizi al cittadino e sicuro, sia per le persone che per la comunità, necessita infatti di sistemi di sicurezza estremamente performanti. L’asse della mobilità intelligente basata sul trasporto a controllo remoto è solo uno dei multi-settori in cui la tecnologia sviluppata nel progetto SiQuro potrebbe venire applicata con successo (per approfondimenti vedi http://events.unitn.it/en/siquro) .
Questa prima fase della ricerca vuole aprire la strada ad applicazioni di crittografia quantistica “on-chip” in cui le chiavi crittografiche sono ottenute da generatori di numeri casuali integrati e vengono trasmesse da sistemi di comunicazione quantistica. Questa tecnologia offrirà il vantaggio di abilitare dei processi crittografici in cui non è possibile intercettare i dati codificati in uno stato quantico senza modificare lo stato quantico stesso. Sarà quindi possibile rilevare se la trasmissione è stata violata, bloccando potenzialmente i tentativi di intrusione.