Comunicazione quantistica nuova frontiera dei dati

La comunicazione quantistica sfrutta le proprietà della meccanica quantistica per codificare e trasmettere informazioni. In una rete quantistica qualsiasi tentativo di intercettazione modifica lo stato quantistico e può essere immediatamente rilevato, rendendo la comunicazione più sicura. Alcuni strumenti, come quelli basati sulla Quantum Key Distribution (QKD), sono già disponibili sul mercato, mentre altri sono in fase di sperimentazione. A Como per esempio, si stanno studiando metodi per utilizzare la luce quantistica per le comunicazioni sottomarine. Ne abbiamo parlato con Alessia Allevi, professore associato presso il Dipartimento di Scienza e Alta Tecnologia dell’Insubria.

In che modo le tecnologie quantistiche rendono le comunicazioni più sicure?

Chi riceve il messaggio può determinare se ci sono state intercettazioni o perdite di informazione. Spesso ci immaginiamo una spia che intercetta o modifica il messaggio, in realtà, anche l’ambiente stesso può interagire con il segnale e sottrarre informazioni utili. Ad esempio, quando si utilizza la luce, sia in fibra ottica sia attraverso l’atmosfera, possono verificarsi perdite dovute ad assorbimento, diffusione o altri fenomeni ottici che alterano l’informazione. Le risorse quantistiche, essendo estremamente sensibili a queste modifiche, permettono di rilevare se e quando si verificano perdite di informazione.

A che punto siamo?

La ricerca continua con l’obiettivo di ridurre al minimo gli errori, che sono intrinseci ai sistemi stessi. Anche il sistema completamente in fibra, attualmente disponibile sul mercato, è comunque soggetto a perdite. L’ottimizzazione dei sistemi già collaudati mira quindi a ridurre la probabilità di errore e a rendere la comunicazione sempre più sicura e affidabile. Sono già stati condotti diversi test, ad esempio per comunicazioni criptate per aziende o banche. A livello nazionale, esistono due spin-off universitari, che propongono prodotti per la distribuzione di chiavi quantistiche, ovvero sistemi che consentono di distribuire una chiave sicura tra due parti. Questi sistemi hanno un costo non irrisorio, ma è chiaro che, soprattutto considerando lo sviluppo futuro dei computer quantistici, lo sfruttamento delle risorse quantistiche nella comunicazione e nella criptografia è fondamentale. Quando saranno disponibili computer quantistici efficienti e funzionanti, le comunicazioni dovranno basarsi anch’esse sulle risorse quantistiche per garantire un livello di sicurezza adeguato. Se si utilizzano risorse quantistiche in alcuni ambiti, sarà necessario aggiornare e adattare anche gli altri settori correlati.

Quindi possiamo dire che oggi esistono già prodotti che consentono comunicazioni più sicure e protette grazie alla tecnologia quantistica?

Sì, al momento però non tutte le aziende ne percepiscono l’importanza, le grandi imprese e le multinazionali probabilmente sì, mentre le piccole realtà spesso pensano “non sembra che ci stiano rubando i dati”. Il costo può essere ammortizzato con l’utilizzo e la diffusione della domanda, più aziende adotteranno questi sistemi più i prezzi tenderanno a diminuire.

Si parla molto di trasparenza delle filiere e dell’uso della blockchain per certificarle. In questo contesto, la tecnologia quantistica potrebbe servire anche a proteggere le comunicazioni tra le diverse parti?

Con il termine “comunicazione” si intende il mettere in comune informazioni, può riguardare qualsiasi settore. Un ambito particolarmente interessante è per esempio quello energetico, nella distribuzione di energia la comunicazione dei dati deve essere sempre più precisa e sicura, nel pieno rispetto della privacy degli utenti.

Cosa si sta studiando al Dipartimento di Scienza e Alta Tecnologia dell’Insubria?

Lavoriamo nel regime di intensità mesoscopico, mentre la maggior parte delle attività nel campo utilizza il regime del singolo fotone, cioè intensità molto basse. Noi, invece, impieghiamo rivelatori capaci di contare i fotoni, in ogni impulso di luce che produciamo c’è un certo numero di fotoni, e i nostri rivelatori possono registrarli singolarmente. Produciamo luce quantistica e sfruttiamo due risorse: la luce quantistica, che possiede proprietà di correlazione quantistica, idealmente perfette, e i rivelatori in grado di contare i fotoni. Questo ci consente di implementare protocolli di comunicazione che utilizzano entrambe le caratteristiche: la capacità di contare i fotoni ci permette di decodificare il messaggio inviato, mentre la luce quantistica garantisce la sicurezza. Applichiamo criteri specifici e, se questi vengono soddisfatti, possiamo affermare che la comunicazione è sicura, nel senso che un’eventuale intercettatrice non ha sottratto informazioni utili. I rivelatori utilizzati funzionano molto bene con la luce visibile, nello specifico nella regione del blu o del verde. Questo apre, per esempio, scenari interessanti per lo sviluppo della comunicazione quantistica sottomarina, un ambito ancora agli inizi.

Come avviene oggi la comunicazione sottomarina tra navi o isole?

Avviene principalmente tramite onde acustiche. La sfida che diversi gruppi di ricerca nel mondo stanno affrontando è utilizzare la luce quantistica anche in questo settore. La regione più utile è quella del blu, perché viene assorbita meno, nel caso di comunicazione libera, non in fibra. Quando si lavora in fibra ottica, invece, la regione più sfruttata è quella delle lunghezze d’onda per telecomunicazioni, intorno a 1550 nanometri, perché le fibre assorbono meno in questa regione spettrale. Quindi, la scelta della regione spettrale, del tipo di luce o di radiazione, dipende molto dall’applicazione e dal tipo di rivelatori disponibili. Una parte importante della ricerca riguarda la realizzazione degli strumenti stessi, la generazione della sorgente e il dispositivo utilizzato per rivelarla, che nel caso della luce sono i fotorivelatori.

Siamo nella seconda rivoluzione quantistica, cosa significa?

La prima rivoluzione quantistica è associata alla produzione di dispositivi come laser e transistor, che rappresentano la prima applicazione pratica delle leggi della meccanica quantistica. La seconda rivoluzione fa qualcosa in più: applica sempre le leggi della meccanica quantistica, ma sfrutta proprietà che inizialmente i teorici consideravano solo oggetti teorici, come la sovrapposizione quantistica e l’entanglement, tratti caratteristici della meccanica quantistica, impossibili secondo la fisica classica. Sfruttare queste proprietà è stato possibile grazie al continuo sviluppo tecnologico. Negli anni ’60, con i primi laser, la produzione di luce quantistica non era ancora prevista né prevedibile. Gran parte dei lavori fondamentali sono stati condotti successivamente, portando ad esempio all’assegnazione del Premio Nobel 2022 per la fisica a Clauser e Aspect che hanno utilizzato sistemi atomici come sorgenti di luce quantistica, successivamente superati dagli esperimenti del gruppo di Zeilinger. Lo sviluppo tecnologico è fondamentale per sfruttare oggi proprietà come sovrapposizione ed entanglement in applicazioni come la comunicazione, l’imaging e il calcolo.