I ricercatori di Toshiba hanno inviato con successo informazioni quantistiche su fibre ottiche lunghe 600 chilometri, creando un nuovo record di distanza e aprendo la strada a reti quantistiche su larga scala che potrebbero essere utilizzate per scambiare informazioni in modo sicuro tra città e persino paesi.
Lavorando dal laboratorio di ricerca e sviluppo dell'azienda a Cambridge nel Regno Unito, gli scienziati hanno dimostrato di poter trasmettere bit quantistici (o qubit) su centinaia di chilometri di fibra ottica senza confondere i fragili dati quantistici codificati nel particelle, grazie a una nuova tecnologia che stabilizza le fluttuazioni ambientali che si verificano nella fibra.
Questo potrebbe fare molto per aiutare a creare un Internet quantistico di prossima generazione che gli scienziati sperano che un giorno possa coprire distanze globali.
Si prevede che l'Internet quantistico, che assumerà la forma di una rete globale di dispositivi quantistici collegati da collegamenti di comunicazione quantistica a lunga distanza, consentirà casi d'uso impossibili con le applicazioni web odierne. Si va 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.
Ma per comunicare, i dispositivi quantistici devono inviare e ricevere qubit, minuscole particelle che esistono in uno stato quantistico speciale, ma estremamente fragile. Trovare il modo migliore per trasmettere i qubit senza farli cadere dal loro stato quantistico ha portato gli scienziati di tutto il mondo a grattarsi la testa per molti anni.
Un approccio consiste nell'abbattere i qubit sulle fibre ottiche che collegano i dispositivi quantistici. Il metodo 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.
Ecco perché gli esperimenti con la fibra ottica, fino ad ora, sono stati tipicamente limitati a un raggio di centinaia di chilometri; in altre parole, non abbastanza da creare l'internet quantistica globale su larga scala immaginata dagli scienziati.
Per affrontare le condizioni instabili all'interno delle fibre ottiche, i ricercatori di Toshiba 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 fini della fase.
In parole povere, le due lunghezze d'onda si combinano per annullare le fluttuazioni ambientali all'interno della fibra in tempo reale, il che, secondo i ricercatori di Toshiba, ha consentito ai qubit di viaggiare in sicurezza per oltre 600 chilometri.
Il team dell'azienda ha già utilizzato la tecnologia per testare una delle applicazioni più note delle reti quantistiche: la crittografia quantistica.
Noto come Quantum Key Distribution (QKD), il protocollo sfrutta le reti quantistiche per creare chiavi di sicurezza impossibili da hackerare, il che significa che gli utenti possono scambiare in modo sicuro informazioni riservate, come estratti conto o cartelle cliniche, su un canale di comunicazione come Internet.
Durante una comunicazione, QKD funziona facendo in modo che una delle due parti crittografa un pezzo di dati codificando la chiave di crittografia su qubit e inviando quei qubit all'altra persona grazie a una rete quantistica. A causa delle leggi della meccanica quantistica, tuttavia, 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.
A differenza della crittografia classica, quindi, QKD non si basa sulla complessità matematica della risoluzione delle chiavi di sicurezza, ma sfrutta piuttosto le leggi della fisica. Ciò significa che anche i computer più potenti non sarebbero in grado di hackerare le chiavi basate su qubit. È facile capire perché l'idea stia attirando l'attenzione di attori da tutte le parti, 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. “Questo è un risultato molto entusiasmante”, ha affermato Mirko Pittaluga, ricercatore presso Toshiba Europe. “Con le nuove tecniche che abbiamo sviluppato, sono ancora possibili ulteriori estensioni della distanza di comunicazione per QKD e le nostre soluzioni possono essere applicate anche ad altri protocolli e applicazioni di comunicazione quantistica”.
Quando si tratta di eseguire QKD utilizzando la fibra ottica, il traguardo di 600 chilometri di Toshiba è un record, che secondo l'azienda consentirà di creare collegamenti sicuri tra città come Londra, Parigi, Bruxelles, Amsterdam e Dublino.
Altri gruppi di ricerca, tuttavia, si sono concentrati su diversi metodi per trasmettere i qubit, che hanno consentito a QKD di avvenire su distanze ancora maggiori. Gli scienziati cinesi, ad esempio, stanno utilizzando un mix di trasmissioni satellitari che comunicano con fibre ottiche a terra e sono recentemente riusciti a eseguire QKD su una distanza totale di 4.600 chilometri.
Ogni approccio ha i suoi pro e contro: l'utilizzo di tecnologie satellitari è più costoso e potrebbe essere più difficile da scalare. Ma una cosa è certa: gruppi di ricerca nel Regno Unito, in Cina e negli Stati Uniti stanno sperimentando a ritmo sostenuto per rendere le reti quantistiche una realtà.
La ricerca di Toshiba è stata parzialmente finanziata dall'UE, che sta mostrando un vivo interesse per lo sviluppo delle comunicazioni quantistiche. Nel frattempo, l'ultimo piano quinquennale della Cina assegna anche un posto speciale alle reti quantistiche; e gli Stati Uniti hanno recentemente pubblicato un progetto che illustra passo dopo passo la creazione di un'internet quantistica globale.
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