Internet quantistica, a che punto siamo?



(Foto: Christopher Burns on Unsplash)

Comunicazioni ultrasicure. Connessioni velocissime. Sincronizzazioni temporali ancora più precise. Una vera e propria rivoluzione, insomma, che promette di cambiare radicalmente il modo di scambiarsi informazioni. Sono solo alcune delle promesse che arrivano dalle équipe di fisici e ingegneri che, nei laboratori di tutto il mondo, stanno lavorando da ormai trent’anni alla realizzazione di una rete internet quantistica, basata cioè sulle bizzarre (e controintuitive) norme che regolano il comportamento di particelle microscopiche come fotoni ed elettroni. A dimostrare quanto sia alta l’attenzione sul tema, basti pensare che la rivista Nature ha inserito Pan Jianwei, scienziato della University of Science and Technology in Cina che è recentemente riuscito a teletrasportare quantisticamente un fotone da un satellite in orbita a due stazioni a terra, nella lista degli scienziati più importanti del 2017. E sempre la stessa rivista, in tempi più recenti, è tornata a occuparsi della questione, raccontandone gli aspetti scientifici più salienti.

Sicurezza quantistica, comunicazioni quantistiche
Anzitutto, un po’ di chiarezza. I termini telecomunicazioni quantistiche si riferiscono, in linea generale e un po’ tautologicamente, a una serie di tecnologie che permettono la trasmissione e la ricezione di dati usando protocolli che si basano sulla meccanica quantistica. In particolare, la ricerca si muove su due fronti. Il primo riguarda la sicurezza ed è quello che per certi versi è già stato dimostrato sperimentalmente ed è già in uso: sostanzialmente, si tratta di una serie di protocolli con i quali lo scambio di dati (classico, ovvero che avviene su una rete tradizionale, non quantistica) viene protetto da chiavi crittografiche generate quantisticamente, che hanno la proprietà di distruggersi nel momento in cui qualcuno tenti di accedervi.

Il secondo, ancora in fase di studio e con un orizzonte temporale più a lungo termine, è invece quello relativo alla costruzione di una rete internet propriamente detta, cioè di una piattaforma di condivisione e scambio di informazioni quantistiche, i cosiddetti qubit.

A prova di hacker
La prima idea di stabilire un protocollo per le telecomunicazioni quantistiche risale agli anni settanta e si deve a Stephen Wiesner, che allora era un giovane fisico in forze alla Columbia University di New York. Lo scienziato pensò di servirsi di uno dei principi di base della meccanica quantistica, secondo il quale è impossibile misurare le proprietà di un sistema senza alterarlo irrimediabilmente. Cosa significa? Mentre un sistema classico, macroscopico, assume in generale uno stato definito (una lampadina, per esempio, può essere accesa o spenta), un sistema quantistico, come un elettrone, si trova di solito in una cosiddetta sovrapposizione di stati (se la lampadina fosse quantistica, potrebbe essere accesa e spenta). Per di più, nel momento in cui si esegue una misurazione o si tenta di accedere a un sistema quantistico, questo collassa su uno dei suoi stati (nel momento in cui osserviamo la lampadina, questa resta accesa o spenta). Lo stesso accade se, per aggirare il problema, si tenta di replicare un sistema quantistico e si esegue la misura sulla sua replica: è il cosiddetto principio del no-cloning quantistico.

Le ripercussioni in ambito informatico e delle telecomunicazioni apparvero subito molto interessanti a Wiesner: anzitutto, in virtù della sovrapposizione degli stati, un sistema quantistico può memorizzare più informazioni rispetto a un sistema classico (in particolare al bit, che può assumere solo i valori di zero e uno); inoltre, il principio del collasso del sistema e del no-cloning fa sì che qualsiasi tentativo di accesso ai dati (da parte di un hacker, per esempio) non potrebbe passare inosservato.

Detto, fatto. All’intuizione di Wiesner seguì il lavoro sperimentale di Charles Bennett, informatico della Ibm, che riuscì a mettere a punto, nel 1984, un protocollo che rendeva possibile generare una chiave crittografica quantistica condivisa tra due utenti e inaccessibile dall’esterno. Il protocollo si basava sulla polarizzazione della luce: sostanzialmente, le onde elettromagnetiche possono oscillare su un piano orizzontale o verticale rispetto alla direzione di propagazione, e Bennett riuscì a usare questa proprietà (quantistica) per memorizzare e inviare una chiave crittografica sicura. Si tratta del cosiddetto principio Qkd, acronimo di Quantum Key Distribution, lo stesso usato – con diverse migliorie e modifiche – da Jianwei per comunicare quantisticamente da satellite a Terra. Si tratta, ripetiamo, di un sistema di telecomunicazioni in qualche modo ibrido: il messaggio vero e proprio viene scambiato usando protocolli classici (non quantistici), mentre le chiavi per decifrarlo sono generate quantisticamente.

Entangle me
La messa a punto di una rete internet interamente quantistica, invece, cioè in cui sia le informazioni che le chiavi sono generate e scambiate con protocolli basati sulla meccanica quantistica, richiede un ulteriore passo avanti. Per comprenderne il funzionamento bisogna fare ancora una volta riferimento ai principi fondamentali della teoria quantistica. Il concetto chiave è quello dell’entanglement, o correlazione quantistica, secondo il quale due (o più) particelle quantistiche possono essere legate intrinsecamente tra loro in modo tale che ogni operazione di misura che si effettua su una di esse si riflette sull’altra. Un principio del tutto controintuitivo: lo stesso Albert Einstein ne parlava comespooky action at a distance”, cioè “inquietante azione a distanza”, mal digerendo la possibilità che l’entanglement quantistico potesse permettere il trasferimento istantaneo di informazioni, il che avrebbe contravvenuto a uno dei principi della sua relatività ristretta secondo il quale è impossibile propagare informazioni a velocità superiore a quella della luce (in realtà si tratta di un paradosso solo apparente: è possibile mostrare, infatti, che l’entanglement quantistico non può essere usato per trasferire informazioni in modo istantaneo).

Come funzionerebbe una rete quantistica basata sul principio della correlazione quantistica? Nature lo spiega con un esempio. Immaginiamo di avere due utenti, Alice e Bob. Alice possiede informazioni memorizzate in un qubit A e vuole inviarle al qubit B di Bob. Per scambiarsi i dati, Alice e Bob devono dotarsi di altri due qubit (che servano da proxy, cioè intermediari) PA e PB tra loro correlati quantisticamente. Alice, a questo punto, correla il proprio qubit A con il proxy PA: di conseguenza, A diventerà correlato anche con PB. In sostanza, Alice esegue una particolare misura contemporanea su A e su PA, condividendone poi il risultato con Bob. Bob usa questa informazione per manipolare il proprio qubit B e farlo collassare sullo stesso stato del qubit A di Alice. Per quanto sembri bislacco, il sistema funziona davvero. Gli scienziati devono però ancora risolvere alcuni problemi pratici legati alla distanza a cui si può produrre questo cosiddetto entanglement-on-demand, dal momento che i segnali quantistici che viaggiano lungo la fibra ottica tendono a essere attenuati esponenzialmente con la distanza percorsa: al momento, il record terrestre di teletrasporto quantistico si attesta su circa un centinaio di chilometri. Un’altra possibilità è far viaggiare il segnale nello Spazio, come ha fatto l’équipe di Jianwei, sfruttando il fenomeno che l’attenuazione in atmosfera è molto più debole che quella lungo la fibra.

Quantum internet made in Italy
Anche in Italia si lavora alla rete quantistica del futuro. A occuparsene, tra gli altri, è l’équipe di Giuseppe Vallone, del laboratorio Quantum Future all’Università degli studi di Padova. “Il nostro gruppo di ricerca”, ci spiega Vallone, “lavora da tempo alla dimostrazione di fattibilità di protocolli di crittografia quantistica basati sul principio della Qkd. Lavorando con l’Agenzia spaziale italiana siamo riusciti, in particolare, a dimostrare la fattibilità di una comunicazione quantistica satellitare che si basa sulla polarizzazione dei fotoni e, in seguito, di un altro protocollo che si basa sulla fase dei fotoni [un’altra caratteristica quantistica che può essere utilizzata per trasmettere informazioni, nda]. Inoltre, in tempi più recenti abbiamo messo a punto un generatore quantistico di numeri casuali, che può trovare applicazioni interessanti nel campo della sicurezza informatica”. Secondo Vallone, la realizzazione di una rete quantistica globale è solo questione di tempo: “I protocolli di distribuzione di chiavi crittografiche quantistiche sono stati ampiamente dimostrati e vengono già utilizzati, anche se naturalmente c’è ancora molto margine di miglioramento”, conclude. “Per una rete internet quantistica c’è ancora un po’ da aspettare. Ma penso che da qui a dieci anni l’infrastruttura potrà vedere la luce”.


Fonte: WIRED.it