Sapere Scienza

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Reti quantistiche: cosa aspettarci nel futuro?

7 Febbraio 2019

Cos'è una rete quantistica? Può essere definita come una rete di comunicazione basata sui principi della fisica quantistica per trasportare pacchetti di informazioni da un capo all'altro del Pianeta. Un po' come avevamo già spiegato per i computer quantistici, i bit di informazione che nell'attuale sistema possono avere stato 0 o 1, come il codice binario ci insegna, possono superare questa dualità operando in una sovrapposizione dei due stati. Questi sono i bit quantistici o qubit. Lo scambio di dati attraverso qubit è in grado di portare numerosi vantaggi non solo limitatamente al loro sfruttamento in ambito scientifico. Un fruitore medio cosa può aspettarsi dallo sviluppo di questa tecnologia?

 

Questioni di sicurezza

 

Le prime intuizioni dell'applicazione della meccanica quantistica alla comunicazione furono esplicitate negli anni Settanta. Come racconta un articolo pubblicato su Science l'anno scorso, Stephen Wiesner, ai tempi fisico della Columbia University di New York, comprese come uno dei principi fondamentali della meccanica quantistica, ossia l'impossibilità di misurare una proprietà di un sistema senza cambiarlo, potesse essere sfruttata per la sicurezza nella trasmissione di dati. Come abbiamo già accennato, le informazioni possono essere codificate negli stati di oggetti come atomi isolati, i cui "spin" possono puntare verso l'alto o verso il basso - come lo 0 e l'1 di un bit classico - ma possono anche trovarsi in entrambi gli stati contemporaneamente. Questi sono i bit quantistici, o qubit. Wiesner evidenziò che poiché le proprietà di un qubit non possono essere misurate senza cambiare il suo stato, è anche impossibile farne copie esatte o "cloni": sicuramente un vantaggio per la sicurezza, in quanto un hacker non potrà estrarre informazioni quantistiche senza lasciare traccia.
Tutto ciò, però, viene meno nel momento in cui, per inviare informazioni su grandi distanze, è necessario affidarsi a nodi fidati, intermediari che gestiscono le chiavi di cifratura nelle loro forme sia quantistiche sia classiche e in grado di copiare tali chiavi senza essere rilevati. Un passo decisivo sarebbe la costruzione di una vera e propria rete quantistica che riuscisse a sfruttare i fenomeni dell'entanglement e del teletrasporto per trasmettere informazioni quantistiche su lunghe distanze, senza la necessità di nodi fidati vulnerabili. Non sapete cosa siano entanglement e teletrasporto? Il seguente video vi chiarirà le idee:

 

 

Le sei fasi verso un'internet quantistica

 

Un importante gruppo di ricerca nel campo dell'internet quantistica della Delft University of Technology (Olanda) ha pubblicato in un articolo, sempre su Science, un piano in cui sono specificate tutte le fasi dell'evoluzione di una tale rete e le sfide tecnologiche previste per ciascun livello.
La prima delle sei fasi previste dagli scienziati olandesi, chiamata Stage 0 (perché non descrive una vera internet quantistica) è una rete che permetta agli utenti di stabilire una chiave di crittografia comune in modo che possano condividere i propri classici dati in maniera sicura. In questo caso la fisica quantistica agisce dietro le scene, creando la chiave per il service provider che quindi la conoscerà.
Nello Stage 1 gli utenti inizieranno a creare degli stati quantici, generalmente per fotoni, che potranno essere inviati attraverso una fibra ottica o un impulso laser emesso nello spazio aperto: in questo caso gli utenti avranno creato una chiave di crittografia privata, che solo loro conoscono. Una condizione interessante perché questa tecnologia permetterebbe anche di inviare una password quantica a macchine quali gli sportelli automatici della banche, che la verificherebbero senza conoscerla o essere in grado di rubarla. Queste prime due fasi esistono ma non sono state ancora sperimentate su larga scala.
Nello Stage 2, l'internet quantistica impiegherà il fenomeno dell'entanglement per rendere la crittografia quantistica praticamente indecifrabile. Molte delle tecniche richieste da questa fase esistono già anche se in forma di dimostrazioni rudimentali da laboratorio. I rimanenti livelli di sviluppo permetteranno a qualsiasi coppia di utenti di conservare e scambiare bit quantistici (qubit). Arrivare all'ultima parte di questa scalata richiederà numerosi passi avanti.

 

Per ora "accontentiamoci" di un computer quantistico

 

Come già detto, i qubit sono anche alla base del funzionamento dei computer quantistici e, proprio all'inizio di gennaio 2019, al Consumer Electronics Show (CES), la fiera dell'elettronica di consumo tenutasi a Las Vegas, IBM ha mostrato il primo computer quantistico per uso commerciale e scientifico: IBM Q System One è a 20 qubit e combina un processore quantistico con componenti specifici che ne consentono il funzionamento. Il sistema è posto all'interno di un case in vetro, a una temperatura costante molto bassa, in modo da preservare l'integrità e la qualità dei qubit usati per le operazioni quantistiche (l'isolamento protegge dal rumore ambientale causato da vibrazioni, fluttuazioni di temperatura e onde elettromagnetiche che comprometterebbero le performance). Ci sarà ancora molto da lavorare in questo campo della ricerca ma speriamo di fare in fretta: il futuro ci attende.

 

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copertina   maggio-giugno 2019

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