La moneta quantistica è una tecnologia, per ora soltanto teorica, che sfrutta le leggi della meccanica quantistica per creare denaro digitale che non si possa copiare, se ne possa verificare l’autenticità e che sia unico
Le caratteristiche di una moneta ideale, reale o virtuale che sia, sono sintetizzabili nel fatto che non dovrebbe essere falsificabile (*) né alterabile (per es. aumentandone il valore). Non dovrebbe essere spendibile piu’ volte, dovrebbe garantire l’anonimato dello scambio.
Le monete quantistiche sono pensate per essere l’analogo digitale delle monete fisiche, tutte identiche e scambiabili senza tracciamento.
Le banconote quantistiche sono uniche e tracciabili grazie ai loro numeri di serie, mentre le monete sono tutte identiche e anonime.
Questa distinzione porta a differenti approcci per la loro verifica e la loro implementazione con le monete a chiave pubblica [1]. Quest’ultime presentano ulteriori sfide e non sono ancora state concretamente realizzate. In particolare, la moneta collision-free, che approfondiremo più avanti, è un tipo di banconota che sfrutta numeri di serie unici quale garanzia di sicurezza.
L’idea originale della moneta quantistica è stata proposta nel 1982 da Stephen Wiesner, un fisico teorico, in un articolo intitolato Conjugate Coding.
Immaginiamo una forma di moneta digitale completamente diversa da quella a cui siamo abituati. Invece di essere fatta di semplici bit (unità elementare di informazione classica) come quelli che usano i computer, che possono essere 0 o 1, (acceso o spento, vero o falso, ecc.) questa moneta è costruita con dei quantum bit, qubit [2] che sono basati sui principi, fuori dalla nostra comune esperienza, della meccanica quantistica la quale descrive il comportamento fisico della natura al livello atomico. Una sua particolarità è che un qubit può trovarsi in una specie di sovrapposizione, un po’ come una monetina che sta girando in aria che non è ancora né testa né croce, ma è un po’ entrambe le cose contemporaneamente. La monetina si trova in uno stato sospeso di possibilità, non ancora testa né croce…
Ogni moneta quantistica contiene una serie di stati quantistici generati in modo casuale, che non possono essere copiati o clonati a causa del no-cloning theorem della fisica quantistica. In pratica, nessuna procedura fisica può prendere uno stato quantistico sconosciuto e produrne due copie. Questo rende la moneta inalterabile impedendone la duplicabilità e la tracciabilità. Ogni moneta è resa unica e verificabile dal suo emittente originale.
Dai bit classici ai qubit quantistici
Una caratteristica fondamentale dei qubit è, infatti, che non si possono clonare. È impossibile falsificare o clonare una moneta quantistica grazie alle leggi fondamentali della fisica. Se provi a copiare un qubit, succede qualcosa di strano, un po’ come se nel tentativo di copiare la moneta che gira, la si fermasse. Mostrando ora uno dei lati a caso, si distruggerebbe lo stato di sovrapposizione in cui si trovava prima (processo di misura/osservazione). Questa proprietà di non clonabilità è la chiave di volta di tutto il concetto della moneta quantistica.
Il no-cloning theorem è un principio fondamentale nella meccanica quantistica che afferma che è impossibile creare una copia identica di uno stato quantistico (qubit). In altre parole, non possiamo fare una fotocopia perfetta di un qubit.
Immaginiamo di avere una moneta magica che può essere sia testa che croce contemporaneamente. Se proviamo a fare una copia esatta di questa moneta senza sapere in anticipo come è esattamente configurata. Il risultato finale sarà una moneta che non rappresenta correttamente la combinazione di testa e croce dell’originale.
Si tratta, quindi, di una proprietà cruciale per la sicurezza della comunicazione quantistica. Significa che i dati quantistici non si possono intercettare e copiare senza alterare il loro stato, rendendo così la comunicazione quantistica estremamente sicura contro le intercettazioni.
Il problema principale del denaro digitale classico, quello che usiamo tutti i giorni, è che è facile da copiare. Se si ha un file rappresentante 10 euro, si può pensare di farne una copia di backup e spenderli più volte, creando infinite quantità di denaro. La moneta quantistica eliminerebbe questo problema sfruttando la non clonabilità dei qubit.
Ecco come funzionerebbe nel caso delle banconote: una “zecca” speciale, con una profonda conoscenza delle leggi della meccanica quantistica, crea delle banconote digitali. Ogni banconota non è altro che una serie di qubit con una combinazione particolare di sovrapposizioni. È un po’ come se ogni banconota fosse fatta di tante piccole monete speciali che girano con uno schema segreto, diverso da quello delle altre banconote.
Ogni banconota quantistica risulterebbe così unica ed irripetibile (L’unicità degli stati quantistici la rende unica e facilmente verificabile), e i qubit che la compongono sono incisi con un “numero di serie” quantistico ed un algoritmo che possa verificarle. Una volta creata la banconota, la si può trasferire digitalmente, un po’ come un file, senza che nessuno possa copiarla. Questo grazie alla proprietà di non clonabilità che abbiamo visto. Il teorema del no-cloning consente, infatti, protocolli crittografici che superano le capacità dei computer classici. Utilizzando un canale quantistico e un canale classico autenticato (pubblico) due parti possono comunicare privatamente.
Quando vuoi spenderei tuoi soldi quantistici, entra in gioco un “verificatore”. Questo strumento usa dei processi che utilizzano la meccanica quantistica per controllare se la banconota ha le giuste caratteristiche e il corretto numero di serie. Se qualcuno provasse a falsificare una banconota copiando i qubit, il tentativo fallirebbe perché la copia distruggerebbe l’informazione quantistica originale e la banconota falsificata non passerebbe la verifica. In sintesi: ogni banconota contiene n qubit, segretamente preparati in uno dei 4 stati possibili. In un database gigante, la banca ricorda come ha preparato ogni qubit su ogni banconota. Quando chiunque vorrà verificare una banconota “la porta in banca”. La banca utilizza la sua conoscenza per misurare ogni qubit nella base corretta per verificarne l’autenticità.
Due tipi di moneta quantistica
Nella prima, che chiamiamo a chiave privata (2), il verificatore è la stessa zecca che ha creato la banconota. Quando un negoziante la riceve la invia alla zecca per la verifica. In questo tipo di schema, nessuno tranne la zecca sa come verificare il denaro. Chiamiamo questo denaro quantistico a chiave privata perché la chiave, cioè le informazioni necessarie per verificarne l’autenticità, sono affidate alla zecca. È un po’ come le carte di credito, dove è sempre necessaria l’autorizzazione della banca.
Nello schema di Wiesner (Moneta Quantistica a Chiave Privata) la zecca genera una banconota quantistica composta da n qubit, ognuno preparato in uno stato casuale scelto tra {|Sz = +1⟩, |Sz = -1⟩, |Sx = +1⟩, |Sx = -1⟩}. A questa sequenza di stati quantistici, viene assegnato un numero di serie classico. La verifica è a carico della zecca, la quale conserva un registro che associa ogni numero di serie allo stato quantistico corrispondente. Per verificare l’autenticità di una banconota, il commerciante deve inviarla alla zecca, che confronta lo stato ricevuto con quello registrato. La sua sicurezza si basa sul teorema di no-cloning: un falsario non può copiare lo stato quantistico senza conoscere la base in cui i qubit sono stati preparati.
Invece, la moneta quantistica a chiave pubblica (2) è diversa perché tutti possono verificare l’autenticità senza bisogno della zecca. È come il denaro contante, che possiamo usare ovunque senza l’intervento di terze parti. Questo tipo è più difficile da creare ma, per certi aspetti, più desiderabile.
Esistono due modelli di moneta quantistica a chiave pubblica: la moneta collision-free, e quella basata sulla teoria dei nodi.
Nel caso della moneta collision-free ogni unità di moneta è distinguibile e non duplicabile, garantendo che non ci siano collisioni di numeri di serie e quindi che ogni banconota sia unica. Questa proprietà è fondamentale per la sicurezza e la credibilità della moneta quantistica, e per questo il termine “collision-free” si riferisce all’unicità dei numeri di serie delle banconote. La proprietà “collision-free” non è solo una questione di identificazione. Se ogni banconota è unica e non replicabile, si impedisce a chiunque, compresa la zecca, di creare copie non autorizzate o banconote extra, il che avrebbe come conseguenza inflazione/svalutazione e perdita di fiducia nel sistema. L’elenco pubblico consente, infatti, di verificare che la zecca non abbia prodotto più banconote di quanto dichiarato, evitando così la manipolazione dell’offerta di moneta ai fini del controllo della massa monetaria.
La moneta quantistica da nodi è una specifica implementazione del concetto di moneta collision-free [3]. Questo schema è considerato sicuro perché la teoria dei nodi presenta problemi che non hanno soluzioni pratiche conosciute. È l’unico schema pubblicato per la moneta quantistica a chiave pubblica che non è stato dimostrato insicuro.
Monete e banconote quantistiche
Come si è visto, la principale distinzione tra monete e banconote quantistiche risiede nella loro identità e tracciabilità. Le banconote quantistiche sono uniche e tracciabili, mentre le monete quantistiche sono identiche e anonime. L’unicità delle banconote quantistiche risiede nel fatto che ciascuna di esse è distinguibile dalle altre. Questa unicità è garantita dall’assegnazione di un numero di serie univoco a ciascuna banconota. La loro tracciabilità si ottiene grazie al numero di serie, le banconote quantistiche possono essere, almeno in teoria, tracciate e identificate. Questa tracciabilità può essere utile per verificare che una banconota sia stata effettivamente emessa dalla zecca. La verifica di una banconota quantistica può richiedere una comunicazione con la zecca (come nello schema di Wiesner) oppure può avvenire in modo autonomo senza coinvolgere la zecca (come negli schemi a chiave pubblica, ad esempio quelli collision-free).
Molte banconote quantistiche sono progettate secondo il modello “collision-free”, il che significa che non è possibile creare due banconote con lo stesso numero di serie, nemmeno da parte della zecca. Questo meccanismo previene la contraffazione e garantisce l’integrità del sistema monetario
Le monete quantistiche sono tutte identiche tra loro, senza distinzioni individuali o numeri di serie. Questa caratteristica le rende anonime, dato che non è possibile distinguere una moneta dall’altra. La mancanza di un numero di serie e l’identità tra tutte le monete quantistiche garantiscono l’anonimato delle transazioni, in modo simile alle monete fisiche. A causa della mancanza di numeri di serie, la verifica di una moneta quantistica avviene tramite processi differenti rispetto alle banconote. Questi processi possono includere una comunicazione con la banca o calcoli quantistici offuscati (protocollo di computazione quantistica in cui un utente (il “client”) esegue un calcolo quantistico con l’aiuto di un server, senza rivelare al server la natura del calcolo stesso. In altre parole, il server esegue dei calcoli per il client, ma non è in grado di comprendere quali calcoli stia eseguendo. Si tratta quindi di una tecnica che permette di eseguire calcoli quantistici in modo sicuro, garantendo che il server che esegue i calcoli non venga a conoscenza dei dettagli specifici del calcolo stesso. Nel contesto delle monete quantistiche, questa tecnica sarebbe usata per realizzare sistemi di verifica a chiave privata in cui il venditore non ottiene informazioni sulla moneta al di là del risultato della verifica stessa.
È importante tenere a mente che questa è ancora una tecnologia teorica. Per realizzarla concretamente, abbiamo bisogno di computer quantistici molto avanzati e quindi la sua implementazione pratica è ancora lontana nel futuro.
È importante sottolineare che la sicurezza della moneta quantistica si basa sulle leggi fondamentali della meccanica quantistica e non su algoritmi matematici.
Immaginiamo un sigillo speciale fatto di luce. La zecca crea questo sigillo con uno schema di luce complesso e unico, una sorta di firma quantistica. Questo sigillo può essere trasferito a qualcun altro, ma se provi a copiarlo, si distrugge. Chi riceve il sigillo può usare una macchina speciale che, guardando lo schema di luce, verifica che il sigillo sia autentico.
Per verificare l’autenticità, è necessario un dispositivo o un algoritmo che conosca i dettagli specifici del suo stato quantistico iniziale. Solo l’entità che ha creato la moneta (ad esempio, una banca centrale) può effettuare questa verifica. Se qualcuno tenta di misurare gli stati quantistici senza conoscere i dettagli precisi, questi stati vengono distrutti, rendendo evidente il tentativo di frode.
Limiti
La creazione, manipolazione e verifica degli stati quantistici richiedono infrastrutture avanzate e costose, attualmente non disponibili per un utilizzo su larga scala. Gli stati quantistici sono estremamente delicati e possono essere facilmente distrutti da interferenze ambientali. Per ora, la verifica delle monete quantistiche richiede un sistema centralizzato, il che potrebbe limitare la loro applicabilità in un contesto decentralizzato come quello delle criptovalute.
Differenze rispetto alle criptovalute
Le criptovalute come Bitcoin si basano su crittografia classica e blockchain per garantire sicurezza e decentralizzazione. La moneta quantistica, invece, utilizza direttamente le leggi della fisica quantistica. A differenza delle criptovalute, la moneta quantistica non richiede una blockchain e offre un livello di sicurezza teoricamente insuperabile contro i computer quantistici.
L’attacco a bitcoin da parte dei computer quantistici
L’algoritmo di Shor è un algoritmo quantistico che può fattorizzare numeri interi in modo estremamente efficiente, molto più velocemente di qualsiasi algoritmo classico conosciuto. Questo rappresenta una minaccia significativa per la crittografia a chiave pubblica, come RSA, che si basa sulla difficoltà di fattorizzare grandi numeri primi ed attaccare così la Blockchain. La blockchain utilizza algoritmi di crittografia a chiave pubblica per garantire la sicurezza delle transazioni. Bitcoin utilizza, infatti, l’algoritmo ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm) per firmare digitalmente le transazioni. L’algoritmo di Shor può fattorizzare rapidamente i grandi numeri utilizzati nelle chiavi pubbliche, permettendo a un attaccante di derivare la chiave privata corrispondente con cui decifrare le transazioni, firmare transazioni false, rubare fondi e compromettere la sicurezza della blockchain.
Per proteggere la blockchain dagli attacchi quantistici è necessario sviluppare in tempo utile algoritmi di crittografia post-quantistica che non siano vulnerabili agli attacchi dei computer quantistici. Man mano che i computer quantistici diventeranno più potenti e diffusi, è probabile che vedremo un aumento dell’adozione di crittografia post-quantistica nei sistemi di pagamento per garantire una sicurezza avanzata. La crittografia post-quantistica è, infatti, un insieme di algoritmi progettati per garantire la sicurezza dei dati anche contro gli attacchi di computer quantistici, che potrebbero compromettere molti sistemi crittografici attualmente in uso. Può essere implementata su infrastrutture classiche e utilizzata in combinazione con gli algoritmi tradizionali per garantire una sicurezza ibrida seppure comportino una maggiore richiesta di tempo di calcolo, spazio di memoria e dimensioni delle chiavi rispetto ai metodi classici.
Chimere quantistiche. Il QFS (Quantum Financial System)
La moneta quantistica da sola non può essere la moneta di una nuova economia né costituire un novello sistema di pagamenti internazionale che superi le patologie insite nell’attuale sistema centrato sul dollaro. Il mondo è alla ricerca di un sistema dei pagamenti internazionale adatto alla nuova realtà multipolare.
Il Quantum Financial System QFS, è descritto [4] più che altro come un modello teorico che mira a integrare l’informatica quantistica, l’intelligenza artificiale e la tecnologia blockchain per creare una nuova infrastruttura finanziaria. Si tratta di qualcosa di ancora non ben definito che promette maggiore sicurezza, transazioni in tempo reale e decentralizzazione. A differenza dei sistemi finanziari tradizionali, che si basano sull’informatica convenzionale, il QFS opererebbe attraverso computer quantistici, sfruttando la meccanica quantistica per elaborare enormi quantità di dati a velocità senza precedenti.
È descritto, da qualche autore, come un sistema finanziario completamente avveniristico e indipendente dall’attuale sistema bancario. Sarebbe stato creato per liberare il mondo dal controllo delle élite finanziarie. In molti sono in attesa di un “evento di transizione”, un evento improvviso in cui il QFS verrà attivato e il vecchio sistema finanziario crollerà.
Nessuno però che spieghi di cosa esattamente si tratti. Niente di definito. Si dice che il QFS sarà basato su oro o altri asset reali, in contrapposizione al sistema monetario attuale basato sulla “moneta fiat” (moneta a corso legale non convertibile in oro o altre materie prime) così come si afferma che il QFS eliminerà le banche centrali e il sistema bancario tradizionale, dando il controllo del denaro direttamente alle persone.
Una vera rivoluzione nel sistema dei pagamenti internazionali
Chissà come mai solo in pochissimi sembrano conoscere quella che sarebbe una vera rivoluzione nel sistema dei pagamenti internazionali ossia la proposta di una moneta internazionale come unità di conto non emessa da nessuna banca centrale (il Bancor) gestito da una stanza di compensazione internazionale, la International Clearing House così come proposta, nel 1944 a Bretton woods, da J. L. M. Keynes (vedi il mio Un mondo nuovo è in costruzione. Una seconda occasione che il mondo non deve mancare). Si tratterebbe di un sistema che comporterebbe l’abbandono del paradigma della liquidità con tutte le sue, ormai insostenibili, patologie e l’adozione di un paradigma fondato sul clearing (compensazione) che impedirebbe strutturalmente il signoraggio, l’usura, l’inflazione e la deflazione, la generazione sistematica di enormi debiti e di enormi concentrazioni di ricchezza finanziaria nelle mani di pochi, impedirebbe gli squilibri insostenibili delle bilance commerciali che conducono a conflitti tra paesi e consentirebbe l’esistenza della ricchezza generata unicamente dal lavoro eliminando l’attuale mercato abusivo del denaro che permette speculativamente di far soldi con i soldi.
(*) Si può sostenere che in condizioni di deflazione monetaria e stretta creditizia (poca moneta in circolazione rispetto alle capacità economiche della comunità) il ruolo dei falsari risulti sicuramente positivo per tutta la Comunità in cui circola il denaro falsificato…
[1] Le chiavi private e pubbliche sono fondamentali nella crittografia asimmetrica per la sicurezza delle comunicazioni digitali. Chiave Pubblica: Distribuibile liberamente per crittografare i dati. Esempio: Indirizzo di una casella postale, usabile da chiunque, ma leggibile solo con la chiave privata. Chiave Privata: Deve rimanere segreta. Utilizzata per decrittare dati crittografati con la chiave pubblica e per firmare documenti. Esempio: Chiave per aprire la casella postale. Esempio Pratico: Alice cripta un messaggio con la chiave pubblica di Bob. Solo Bob può decriptarlo con la sua chiave privata, garantendo così la sicurezza delle informazioni.
[2] Un qubit è l’unità fondamentale di informazione quantistica, simile al bit nell’informatica classica. Tuttavia, a differenza di un bit classico, che può essere solo in uno dei due stati (0 o 1), un qubit può esistere in una sovrapposizione di stati. Questo significa che può essere simultaneamente 0, 1, o qualsiasi combinazione lineare di entrambi grazie alle proprietà della meccanica quantistica.
Le proprietà principali del qubit sono la Sovrapposizione, l’Entanglement e l’Interferenza. La Sovrapposizione permette la coesistenza di più stati contemporaneamente. (nei calcolatori quantistici questa proprietà aumenta esponenzialmente le capacità di calcolo.). Qubit entangled condividono uno stato quantistico comune, permettendo correlazioni istantanee a distanza. I qubit entangled sono correlati in modo tale che il cambiamento dello stato di uno influisce immediatamente sullo stato dell’altro, indipendentemente dalla distanza. Questo permette di creare connessioni sicure tra nodi quantistici. L’Interferenza. Gli stati quantistici possono interferire tra loro, rendendo difficile per gli osservatori non autorizzati predire gli stati dei qubit e decodificare le informazioni.
[3] Spiegazione tecnica: [In questo schema, ogni banconota è associata a un diagramma di nodo, e il suo numero di serie corrisponde al polinomio di Alexander del diagramma. La zecca crea le banconote preparando una sovrapposizione di tutti i diagrammi di nodi e misurando i coefficienti del polinomio di Alexander. La verifica consiste nel misurare i coefficienti e controllare che la sovrapposizione sia invariante rispetto ai movimenti di Reidemeister]
[4] When Will the Quantum Financial System Launch?
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