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Una rete internet così avanzata da essere velocissima, altamente sincronizzata a livello temporale e ultrasicura, al punto da rendere praticamente impossibile qualsiasi tentativo di intercettazione o manipolazione dei dati. È quanto sta cercando di prendere forma a Hefei, città di più di quattro milioni di abitanti nella parte orientale della Cina, diventata il palcoscenico della più avanzata rete di comunicazione quantistica mai creata. Come riporta un recente articolo non sottoposto al processo di revisione tra pari pubblicato sulla piattaforma Arxiv, infatti, è proprio in questa città che un gruppo di ricercatori della University of science and technology of China ha implementato per la prima volta una rete quantistica multinodo, composta da tre dispositivi quantistici e un server centrale che si estende su un’area di oltre dieci chilometri, aprendo la strada a un futuro in cui le telecomunicazioni e le trasmissioni di dati sensibili saranno virtualmente inviolabili.
La rete di Hefei presenta alcune similitudini con le tradizionali reti di comunicazione, in quanto utilizza fibre ottiche per la trasmissione di dati. Tuttavia, ciò che la rende rivoluzionaria è il modo in cui i fotoni viaggiano al suo interno: essi attraversano la rete in specifici stati quantistici, che codificano le informazioni in modi unici e altamente protetti. La chiave di questa infrastruttura è il cosiddetto entanglement, una caratteristica unica dei sistemi quantistici che consente di stabilire connessioni strettissime tra le particelle coinvolte, anche se separate da distanze enormi. Una rete di comunicazione progettata in questo modo non solo migliora esponenzialmente la sicurezza nella trasmissione dei dati, ma promette di rivoluzionare anche settori come la crittografia, la telemedicina e le comunicazioni governative. In particolare, in questo esperimento, i ricercatori hanno ottenuto l’entanglement tra due nodi distanti 12,5 chilometri, e questa connessione è rimasta intatta anche dopo che i dati hanno viaggiato avanti e indietro tra i due nodi stessi. Inoltre, sono stati creati legami di entanglement simultaneamente su tre collegamenti diversi, rappresentando, di fatto, quanto di più vicino esista a una rete internet quantistica altamente sicura.
Che cos’è una rete di comunicazione quantistica
Negli ultimi decenni la commistione tra scienza dell’informazione e meccanica quantistica ha fatto progressi significativi, consentendo di capire meglio il mondo subatomico e di controllare sistemi quantistici in modo sempre più preciso. Questo ha aperto la strada a nuove possibilità per affrontare problemi complessi, proiettandoci verso un futuro in cui le comunicazioni e l’elaborazione dei dati potrebbero essere completamente diverse da quello che conosciamo oggi. Come vi avevamo raccontato qui, infatti, con telecomunicazione quantistica ci si riferisce a quelle tecnologie che utilizzano i principi della meccanica quantistica per trasmettere e ricevere dati. In particolare, in questo campo coesistono due principali linee di ricerca: la prima riguarda l’implementazione di reti quantistiche per la sicurezza della trasmissione dei dati, in cui si utilizzano chiavi crittografiche generate attraverso processi quantistici per proteggere i protocolli che regolano lo scambio di dati su reti tradizionali. Nelle reti informatiche tradizionali, infatti, i dati viaggiano attraverso la rete in piccoli pacchetti che potrebbero essere potenzialmente intercettati da terze parti: anche se i messaggi sono crittografati, con il tempo e la potenza di calcolo sufficiente, potrebbero essere decifrati. La distribuzione di chiavi quantistiche invece si basa sull’intrinseca capacità della fisica quantistica di proteggere l’integrità delle comunicazioni. Uno dei principi fondamentali della meccanica quantistica, infatti, è che non è possibile misurare le proprietà di un sistema quantistico senza cambiarle in modo irreversibile, poiché qualsiasi osservazione ne altera irrimediabilmente lo stato. Questa proprietà rende praticamente impossibile intercettare una connessione quantistica senza che venga immediatamente rilevato dal sistema stesso, garantendo così un livello di sicurezza estremamente elevato per le comunicazioni crittografate.
La seconda linea di ricerca, che, secondo un articolo di Nature del 2008, si può considerare come un’estensione di quanto raggiunto finora, è la creazione di una vera e propria rete internet basata su principi quantistici, in cui le informazioni vengono scambiate sotto forma di qubit, le unità fondamentali della meccanica quantistica. I computer quantistici, infatti, differiscono dai computer tradizionali nel modo in cui veicolano le informazioni, utilizzando i qubit invece dei bit; mentre questi ultimi, impiegati nei processori convenzionali, possono avere un valore alternativamente solo di 0 o solo di 1, grazie alle proprietà della meccanica quantistica i qubit possono essere impostati in uno stato cosiddetto di “sovrapposizione”, il che significa che possono essere contemporaneamente 0 e 1. Questo fenomeno permette ai nodi delle reti di comunicazione quantistiche di immagazzinare molte più informazioni, di risolvere problemi complessi in maniera più efficiente e di avere una maggiore potenza di calcolo rispetto ai sistemi informatici tradizionali. Inoltre, per la creazione di una rete internet completamente basata sulla meccanica quantistica, è fondamentale il concetto di entaglement, che implica che due o più particelle quantistiche possono essere strettamente connesse, in modo che qualsiasi misurazione su una di esse influisca istantaneamente sull’altra. Sfruttando tali principi della meccanica quantistica, quindi, quello che si cerca di ottenere è un sistema di telecomunicazione estremamente potente, sicuro e altamente interconnesso, di supporto a quelli tradizionali. Come sottolinea una pagina divulgativa dell’Università di Chicago, infatti, lo scopo di una rete internet quantistica non è quello di sostituire l’internet che conosciamo oggi, ma piuttosto di creare una rete coesistente che possa essere utilizzata per risolvere tipi specifici di problemi, aprendo la strada a una nuova era di condivisione e scambio di dati quantistici su scala globale.
L’importanza della memoria
Torniamo alla rete di Hefei. Sebbene non sia l’unica rete quantistica esistente al mondo, si distingue dalle altre per l’elevato numero di utenti che potrebbero collegarvi i loro processori quantistici e, soprattutto, per l’impiego al suo interno di dispositivi avanzati, ovvero le memorie quantistiche. La memoria quantistica funziona in maniera simile alla memoria tradizionale dei computer classici, ma con una caratteristica unica: memorizzando i dati in qubit, essa può immagazzinare informazioni in stati quantistici complessi che possono essere sovrapposti, offrendo una grande flessibilità per gli algoritmi che elaborano questi dati. Va da sé che una memoria con tali caratteristiche sia fondamentale per lo sviluppo di dispositivi nell’ambito dell’informatica quantistica come strumenti di sincronizzazione, porte quantistiche e processori per la conversione di fotoni. Tutte tecnologie che possono convergere nella creazione di una rete internet quantistica molto avanzata. In particolare, le memorie quantistiche di Hefei sono composte da atomi di rubidio estremamente freddi, controllati mediante l’uso di laser: esse sono in grado di memorizzare le informazioni nello stato quantico degli atomi, in modo che se un fotone inviato al server dovesse essere perso o danneggiato durante il percorso, gli atomi possono a trattenere le informazioni che altrimenti sarebbero andate perse.
Gli esperimenti precedenti e il nuovo studio
In precedenza, in uno studio condotto nel 2020 e pubblicato sulla rivista Nature, lo stesso gruppo di ricercatori aveva dimostrato l’entanglement tra due memorie quantistiche, entrambe però poste all’interno di un laboratorio, quindi non completamente indipendenti. Per creare reti di calcolo quantistico affidabili era necessario stabilire una connessione tra nodi diversi, lontani tra loro: pertanto, negli ultimi anni, i ricercatori si sono posti l’obiettivo di generare l’entanglement tra due memorie completamente indipendenti, che si trovavano una determinata distanza tra di loro. Obiettivo raggiunto nel 2022: gli scienziati hanno posizionato due nodi quantistici in luoghi diversi nell’ambiente urbano di Hefei, a 12,5 chilometri di distanza l’uno dall’altro. A quel punto hanno generato un entanglement tra la memoria quantistica del primo nodo e un fotone, inviando poi quest’ultimo al secondo nodo e memorizzandolo nella seconda memoria quantistica. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters.
