La casualità perfetta è uno di quei traguardi che sembravano fuori portata, eppure un gruppo di ricercatori dell’Eth di Zurigo sostiene di averlo raggiunto. Hanno messo a punto, per la prima volta, un sistema in grado di generare numeri davvero imprevedibili sfruttando la fisica quantistica. Una cosa che, a pensarci bene, ha implicazioni enormi soprattutto per chi si occupa di sicurezza informatica. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Nature, e merita di essere raccontato con calma.
Ogni giorno capitano cose che definiamo casuali, eventi che sembrano arrivare dal nulla. Ma provare a fabbricare il caso, quello vero, è tutta un’altra storia. Molti fenomeni che ci paiono imprevedibili in realtà seguono leggi fisiche precise, e con abbastanza potenza di calcolo se ne può prevedere l’esito. In informatica la faccenda si complica ancora di più: i computer tradizionali lavorano con algoritmi deterministici, quindi generare qualcosa di realmente casuale è semplicemente impossibile. Peccato, perché proprio lì un buon generatore di numeri casuali sarebbe oro colato. Permetterebbe di criptare dati e transazioni in modo praticamente inviolabile, con una chiave che nessuno potrebbe mai indovinare.
Perché il caso vero è così sfuggente
Prendiamo il lancio di una moneta, l’esempio più banale. Sembra casuale, vero? In realtà il risultato dipende da forze fisiche che, per quanto complicate, in teoria si potrebbero calcolare. E poi c’è un altro problema: qualsiasi oggetto reale, che sia una moneta o un dado, ha piccole imperfezioni. Basta poco perché una faccia esca più dell’altra. Lo spiega bene Andreas Wallraff, il ricercatore dell’Eth di Zurigo che ha guidato lo studio: nemmeno i moderni generatori basati sulla meccanica quantistica sono del tutto al riparo da errori sistematici o da quei piccoli sbilanciamenti che in gergo si chiamano bias.
La trovata del suo team è stata partire proprio da una casualità imperfetta, quella dei generatori quantistici già esistenti, per poi estrarne numeri perfettamente casuali. Hanno chiamato questo metodo amplificazione della casualità.
Il test di Bell e l’entanglement che cambia tutto
Per arrivarci si sono appoggiati a un esperimento storico della fisica quantistica, il test di Bell. Serve a mettere alla prova una vecchia obiezione di Albert Einstein, quella del realismo locale, contro l’interpretazione della meccanica quantistica proposta da Niels Bohr. Realismo, in questo contesto, vuol dire che un oggetto ha proprietà ben definite anche quando nessuno lo guarda. Locale, invece, significa che una cosa può essere influenzata solo da quel che succede vicino a lei, non da qualche misteriosa azione a distanza. La meccanica quantistica ribalta tutto: l’osservazione modifica le proprietà dell’oggetto e ammette che particelle legate fra loro si influenzino anche se lontane, attraverso quello che si chiama entanglement.
Ecco come hanno costruito l’esperimento. Due bit quantistici, i qubit, capaci di assumere lo stato 0 o 1 oppure una loro sovrapposizione, collegati da un tubo lungo 30 metri e raffreddati fino a temperature vicinissime allo zero assoluto. Dentro quel tubo i fotoni viaggiano avanti e indietro creando l’entanglement tra i due qubit. Tradotto: misurare un qubit, ottenendo a caso 0 o 1, determina automaticamente e a distanza il valore dell’altro. I 30 metri servono proprio a garantire che, neanche alla velocità della luce, i due qubit possano scambiarsi informazioni durante la misura. Altrimenti la casualità perfetta salterebbe.
Migliorando stabilità e velocità del sistema, i ricercatori sono riusciti a eseguire oltre un miliardo di prove del test di Bell in circa 9 ore. Le misurazioni hanno prodotto correlazioni così forti da non poter essere spiegate con regole nascoste o comportamenti già impostati in partenza. Nello studio si legge a chiare lettere che l’amplificazione della casualità è impossibile con metodi puramente classici. Il risultato è un sistema che genera casualità perfetta partendo da una imperfetta. Come ha sottolineato il co-autore Renato Renner, i miglioramenti tecnici hanno permesso per la prima volta di creare numeri che resteranno perfettamente casuali per sempre, qualunque metodo si usi un domani per analizzarli.