Verso una comunicazione quantistica sicura ed efficiente
Le fibre ottiche, utilizzate per trasmettere informazioni alla velocità della luce, sono una tecnologia che ha trasformato i servizi di uso quotidiano, come le comunicazioni telefoniche e Internet, rendendoli più veloci e affidabili che mai. Queste reti, tuttavia, presentano problemi a livello di sicurezza per quanto riguarda il trasferimento dei dati: il furto di identità e gli attacchi informatici su larga scala sono infatti diventati una rilevante preoccupazione sia per i singoli individui, che per la società nel suo complesso. Di conseguenza, una crescente quantità di ricerche si è dedicata ad approfondire le modalità con cui rendere le future reti di comunicazione non solo più efficienti dal punto di vista energetico, ma anche più sicure.
Codificare informazioni su singoli fotoni
Il progetto Qurope, finanziato dall’UE, ha esplorato le possibili soluzioni a questa sfida nel regno della fisica quantistica. Codificando le informazioni su un singolo fotone, è possibile conseguire comunicazioni in grado di offrire totale sicurezza. Tuttavia, durante la trasmissione di informazioni quantistiche, vi è tuttora un problema da superare, ovvero le perdite che si verificano quando i fotoni vengono assorbiti dalla fibra che attraversano. È qui che entrano in gioco i ripetitori quantistici. «Per ovviare a queste perdite di trasmissione diretta si può utilizzare un ripetitore quantistico», spiega Klaus Joens, coordinatore del progetto e ricercatore presso l’Università di Paderborn in Germania. «Questo obiettivo viene conseguito suddividendo la distanza tra le parti della comunicazione in sezioni più brevi.» Il ripetitore acquisisce il segnale, effettua una certa misurazione quantistica (chiamata misurazione di Bell) e teletrasporta lo stato quantico su un’altra particella di luce. Se l’intero processo venisse svolto con successo, l’Internet quantistico sarebbe in grado di trasmettere informazioni in modo affidabile ed efficiente su distanze molto estese.
Sfruttare il fenomeno dell’entanglement quantistico
Il progetto ha riunito esperti in materia di sorgenti e rivelatori di luce quantica, memorie quantistiche ed elaborazione fotonica dell’informazione quantica svolgendo un lavoro incentrato sullo sfruttamento di uno strano fenomeno quantistico noto come entanglement. Nell’entanglement quantistico, due particelle diventano fortemente connesse e correlate tra loro nello spazio indipendentemente dalla distanza che le separa. «In questo progetto abbiamo compiuto enormi progressi nell’ambito dello sviluppo di un ripetitore quantistico che utilizza sorgenti luminose di punti quantici allo stato solido», aggiunge Joens. I punti quantici sono particelle semiconduttrici caratterizzate da dimensioni non superiori a pochi nanometri. «Questi punti quantici emettono fotoni entangled su richiesta; abbiamo pertanto cercato di interfacciarli con materiali in grado di immagazzinare memoria quantistica.» Si tratta della versione quantistica della normale memoria di calcolo: Mentre i computer convenzionali memorizzano le informazioni come stati binari (cioè sotto forma di 1 e 0), questo tipo di memoria memorizza un particolare stato quantico, rendendone possibile il recupero futuro. Per testare questo concetto, il team del progetto ha costruito un sistema prototipo in cui diversi sistemi di memoria sono stati combinati con punti quantici semiconduttori, in modo da produrre ripetitori quantistici basati sulle telecomunicazioni.
Il futuro della comunicazione quantistica sicura
Sebbene il team sia riuscito a far progredire la tecnologia dei ripetitori quantistici, sono necessari ulteriori lavori al fine di rendere possibile un tempo di memorizzazione sufficiente. Ciononostante, il progetto ha messo in evidenza le possibilità esistenti in tal ambito e ha contribuito a spianare la strada alla futura comunicazione quantistica sicura. «Volevamo dimostrare che l’utilizzo dei ripetitori quantistici può ridurre le perdite generate dal semplice invio di fotoni attraverso una fibra», spiega Joens. «È questo il principale vantaggio offerto da tali soluzioni.» Questa tecnologia potrebbe rivelarsi preziosa per mettere in connessione in modo efficiente i dispositivi quantistici del futuro, proprio come la tecnologia dell’Internet delle cose (IoT) collega i dispositivi intelligenti nelle nostre case. Tra i possibili usi finali figurano applicazioni di rilevamento quantistico e di immaginografia. «Un’altra possibilità è quella dei radiotelescopi collegati a livello quantistico», osserva Joens, che conclude: «Questa soluzione estremamente potente sarebbe di grande interesse per chi vuole studiare l’universo.»
Parole chiave
Qurope, quantistico, comunicazione, fotoni, attacchi informatici, Internet, fisica