Quantum Internet: gli Stati Uniti hanno un piano

Il Department of Energy lancia il suo progetto per una quantum Internet nazionale, a partire dall'interconnessione quantistica dei primi 17 laboratori di ricerca

Tecnologie
Il quantum computing è un tema un po' futuribile ma con implicazioni importanti. Specie lato sicurezza. Di quantum Internet invece si parla meno. Ma l'idea di realizzare una infrastruttura di comunicazione che possa, in vario grado e con modi diversi, trasmettere informazioni usando i principi della meccanica quantistica interessa molte realtà. Prime fra tutte, quelle a livello governativo.

Ora gli Stati Uniti hanno ufficializzato una loro strategia per mettere in piedi una quantum Internet. Se ne occuperà il Department of Energy. Anche perché alcuni suoi laboratori hanno già realizzato un primo abbozzo di rete geografica quantistica. E si parla già di un prototipo di quantum Internet entro il prossimo decennio. Prima però c'è da capire che cosa possa essere definito come quantum Internet, anche nell'ambito di questa nuova iniziativa. Perché la meccanica quantistica si può usare in molti modi diversi.

In linea di massima, una quantum Internet è una rete che trasmette informazioni codificandole "quantisticamente" in flussi di fotoni. Quindi si basa su una infrastruttura fisica in fibra ottica. Oppure, più raramente, in mezzi meno "controllati" come l'atmosfera. O lo spazio esterno, che non è davvero vuoto ma in cui il numero di particelle con cui i fotoni possono interagire è molto basso.
quantum computing ethAl momento il grande vantaggio delle ipotetiche quantum Internet - e il motivo per cui interessano ai Governi, e non solo - è che sono teoricamente al sicuro dallo spionaggio. È impossibile, proprio per i principi della fisica, "intercettare" una comunicazione quantistica senza che il destinatario se ne accorga. Attenzione: una comunicazione quantistica, non solo un flusso generico di fotoni.

Quantum Internet: informazioni e fotoni

Molti esperimenti di comunicazione quantistica si basano sulla capacità di intervenire su singoli fotoni per modificarne lo stato quantistico. Con una codifica ovviamente più complessa rispetto agli 1 e 0 dei classici bit. Esistono già diversi protocolli standard per definire la codifica e la decodifica di piccoli gruppi di informazioni, in modo che ci invia e chi riceve fotoni si capiscano a vicenda.

In estrema sintesi, e semplificando molto, per le proprietà della meccanica quantistica se qualcuno cercasse di intercettare la comunicazione dei fotoni, sarebbe immediatamente scoperto. Interagendo con i fotoni ne farebbe di colpo collassare lo stato. Quindi il destinatario, ricevendoli, saprebbe che sono stati compromessi. Da qui la sicurezza di una quantum Internet.

C'è poi una seconda forma di trasmissione quantistica, il "teletrasporto" delle informazioni. Già dal termine usato, è più interessante. Qui la base di tutto è il principio quantistico dell'entanglement di due fotoni. Sempre semplificando, due fotoni che sono stati generati nello stesso momento e nello stesso luogo sono due forme d'onda identiche. Che - è qui l'entanglement - si mantengono identiche fra loro anche se vengono fisicamente separate.
ibm quantumUna quantum Internet basata su questo principio prevede ad esempio la creazione di coppie di fotoni. Un elemento di queste coppie viene mandato al destinatario, uno resta al mittente. Quando questi varia le proprietà quantistiche del suo fotone, quello del destinatario varia allo stesso modo. L'informazione - nel senso di un cambio di stato - quindi si teletrasporta istantaneamente. Usando questo principio, si possono trasferire anche informazioni più articolate.

Entrambi questi tipi di trasmissione quantistica hanno problemi legati alla stabilità dei fotoni. Che per passare dal mittente al destinatario attraversano mezzi - dalla fibra ottica all'etere - che possono cambiare lo stato in modo da vanificare la trasmissione stessa. Per questo le reti quantistiche realizzate sinora hanno tratti che raramente superano qualche decina di chilometri. Massimo 100-150. Se pensiamo a una quantum Internet, troppo poco.

Quantum Internet: il lavoro del DoE

Proprio questo è il primo ostacolo che la strategia USA intende ora affrontare. In che modo si può migliorare la trasmissione di informazioni "quantistiche" su fibra ottica? Il Department of Energy parte da quello che i suoi laboratori hanno già fatto. In particolare da un anello - definito un "quantum loop" - di circa 80 chilometri nella zona di Chicago. Che ha dimostrato di poter trasmettere informazioni usando il principio dell'entanglement.

Quante informazioni, non è stato specificato. Va infatti considerato che, per semplicità, nella gran parte delle reti sinora realizzate non si codifica quantisticamente tutta l'informazione da trasmettere. La si cifra e la si trasmette normalmente, come bit e byte. Si trasmettono quantisticamente solo le chiavi di cifratura. Che sono l'elemento più critico nello scambio di informazioni. In questi casi, più che di quantum Internet, si dovrebbe parlare di Quantum Key Distribution (QKD).
ibm quantumIl DoE ha in piano di estendere l'anello di Chicago verso un altro laboratorio dell'Illinois, Arrivando ad una rete a tre nodi di quasi 130 chilometri. L'obiettivo a lungo termine è crescere di scala. Dalle reti quantistiche dei laboratori alle reti metropolitane, poi alle reto geografiche. Sino a connettere man mano tutti i 17 laboratori di ricerca che fanno capo al Dipartimento per l'Energia. Con una quantum Internet nazionale.

In questo percorso ci sono molti problemi tecnici da superare. Ad esempio, un link "quantistico" in fibra ottica comunque non può superare una certa distanza. Quindi occorreranno "ripetitori quantistici" tutti da studiare. Oggi ce ne sono, ma inadeguati. Convertono le trasmissioni quantistiche in segnali digitali e poi li riconvertono in segnali quantistici. Creando un punto debole per la sicurezza.

Servono ripetitori tutti quantistici. Per arrivare in futuro a una quantum Internet integralmente basata sulla meccanica quantistica. Che magari trasporti qubit in connessioni dirette tra quantum computer. Senza più elaboratori tradizionali. Ma questo è un obiettivo davvero a lungo termine.
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