I ricercatori di Toshiba su fibra ottica hanno inviato con successo informazioni quantistiche coprendo la distanza di 600 chilometri, creando un nuovo record e aprendo la strada a reti quantistiche su larga scala che potrebbero essere utilizzate per scambiare informazioni in modo sicuro tra città e persino nazioni. Gli scienziati lavorando dal laboratorio di ricerca e sviluppo della società a Cambridge nel Regno Unito, hanno dimostrato che potrebbero trasmettere bit quantistici (o qubit) su centinaia di chilometri di fibra ottica senza compromettere i fragili dati quantistici codificati nelle particelle, grazie a una nuova tecnologia che stabilizza le fluttuazioni ambientali che si verificano nella fibra. Ciò potrebbe aiutare a creare l’Internet quantistico di prossima generazione che gli scienziati sperano un giorno possa coprire le distanze globali.
L’internet quantistico, che avrà la forma di una rete globale di dispositivi quantistici collegati da reti di comunicazione quantistica a lunga distanza, dovrebbe consentire utilizzi che sono impossibili con le odierne applicazioni internet. Essi vanno dalla generazione di comunicazioni virtualmente non hackerabili, alla creazione di cluster di dispositivi quantistici interconnessi che insieme potrebbero superare la potenza di calcolo dei dispositivi classici. I dispositivi quantistici per comunicare hanno bisogno di inviare e ricevere qubit, piccole particelle che esistono in uno stato quantico speciale, ma estremamente fragile. Trovare il modo migliore per trasmettere i qubit senza farli cadere dal loro stato quantico ha portato gli scienziati di tutto il mondo a grattarsi la testa per molti anni.
Il metodo consiste nell’inviare i qubit sulle fibre ottiche che collegano i dispositivi quantistici, ha avuto successo ma è di dimensioni limitate: piccoli cambiamenti nell’ambiente, come le fluttuazioni di temperatura, fanno espandere e contrarre le fibre e rischiano di interferire con i qubit.
È questo il motivo per cui gli esperimenti con le fibre ottiche, fino ad ora, sono stati tipicamente limitati ad un raggio di centinaia di chilometri, non abbastanza da creare l’internet quantistica globale su larga scala immaginata dagli scienziati.
Stabilizzazione a doppia banda
I ricercatori di Toshiba per affrontare le condizioni instabili all’interno delle fibre ottiche hanno sviluppato una nuova tecnica chiamata “stabilizzazione a doppia banda”. Il metodo invia due segnali lungo la fibra ottica a diverse lunghezze d’onda. La prima lunghezza d’onda viene utilizzata per annullare le fluttuazioni che variano rapidamente, mentre la seconda lunghezza d’onda, che è alla stessa lunghezza d’onda dei qubit, viene utilizzata per regolazioni più affinate della fase.
Le due lunghezze d’onda in parole povere, in tempo reale si combinano per annullare le fluttuazioni ambientali all’interno della fibra, il che, secondo i ricercatori di Toshiba, ha permesso ai qubit di viaggiare in sicurezza per oltre 600 chilometri. Il team ha già utilizzato la tecnologia per provare una delle applicazioni più note delle reti quantistiche: la crittografia quantistica.
Il protocollo conosciuto come Quantum Key Distribution (QKD) (in italiano Distribuzione a chiave quantistica) sfrutta le reti quantistiche per creare chiavi di sicurezza che sono impossibili da violare, significa che gli utenti possono scambiare in modo sicuro informazioni riservate, come estratti conto o cartelle cliniche, su un canale di comunicazione non affidabile come internet; durante una comunicazione, la QKD funziona facendo in modo che una delle due parti codifichi una porzione di dati codificando la chiave di crittografia in qubit e inviando questi qubit all’altra persona grazie a una rete quantistica. Tuttavia a causa delle leggi della meccanica quantistica, è impossibile per una spia intercettare i qubit senza lasciare un segno di intercettazione che può essere visto dagli utenti che, a loro volta, possono prendere provvedimenti per proteggere le informazioni.
La QKD a differenza della crittografia classica non si basa sulla complessità matematica di risolvere le chiavi di sicurezza, ma piuttosto sfrutta le leggi della fisica. Ciò significa che anche i computer più potenti non sarebbero in grado di violare le chiavi basate sui qubit. È facile capire perché l’idea sta raccogliendo l’attenzione di più soggetti, dalle istituzioni finanziarie alle agenzie di intelligence.
La nuova tecnica di Toshiba per ridurre le fluttuazioni nelle fibre ottiche ha consentito ai ricercatori di eseguire la QKD su una distanza molto più ampia di quanto fosse possibile in precedenza. Mirko Pittaluga, ricercatore presso Toshiba Europe ha detto:
«Questo è un risultato molto entusiasmante, con le nuove tecniche che abbiamo sviluppato, sono ancora possibili ulteriori estensioni della distanza di comunicazione per la QKD e le nostre soluzioni possono essere attivate anche in altri protocolli e applicazioni di comunicazione quantistica».
Il team ha detto che per quanto riguarda la realizzazione della QKD utilizzando la fibra ottica, i 600 chilometri di Toshiba sono un record, permetterà di creare collegamenti sicuri tra città come Londra, Parigi, Bruxelles, Amsterdam e Dublino. Tuttavia, altri gruppi di ricerca si sono concentrati su metodi diversi per trasmettere i qubit, che hanno permesso alla QKD di operare su distanze ancora maggiori. Gli scienziati cinesi, per esempio, stanno usando un mix di trasmissioni satellitari che comunicano con fibre ottiche a terra, recentemente sono riusciti a realizzare la QKD su una distanza totale di 4.600 chilometri.
I ricercatori hanno detto che ogni metodo ha i suoi pro e i suoi contro, usare tecnologie satellitari è più costoso e potrebbe essere più difficile da incrementare, ma una cosa è certa: gruppi di ricerca nel Regno Unito, in Cina e negli Stati Uniti stanno sperimentando a ritmo serrato per far diventare le reti quantistiche una realtà.
La ricerca di Toshiba è stata parzialmente finanziata dall’UE, che sta mostrando un forte interesse nello sviluppo delle comunicazioni quantistiche, nel frattempo, anche l’ultimo piano quinquennale della Cina assegna un posto speciale alle reti quantistiche; e gli Stati Uniti hanno recentemente pubblicato un progetto che stabilisce una guida passo dopo passo per la creazione di un’internet quantistico globale.
