Dal satellite Micius (o Mozi) di proprietà della Cina è partito il primo messaggio quantico non intercettabile e a prova di hacker. La comunicazione ha viaggiato per circa 1.200 km senza possibilità di subire alcuna forma di monitoraggio, spionaggio o prelevamento delle informazioni, proprio grazie all’utilizzo della tecnologia quantica, già una realtà per un paio di big hi-tech (come Google) che la utilizzano per lo sviluppo dei computer, e relativi software, di nuova generazione. Che il segnale quantistico possa rappresentare il futuro per uno scambio di dati più sicuro è chiaro, risulta meno evidente quando e in che modo l’innovazione potrà essere sfruttata su larga scala, magari per migliorare le chat di WhatsApp o quelle (più probabile) tra capi di governo e autorità.

Protezione dei dati

L’esperimento è stato pubblicato su Science e dimostra quanto sia possibile fare con la tecnologia quantica, che rende concreto il passaggio di dati per migliaia di chilometri tramite coppie di fotoni poste all’inizio e alla fine del tragitto. In gergo tecnico, quello sfruttato dagli scienziati cinesi si definisce entanglement quantistico, ed è un fenomeno che implica la presenza di correlazioni di fotoni a distanza, ovvero posti in luoghi differenti ma uniti da un simile stato osservabile. La modifica dell’uno comporta istantaneamente un cambiamento nell’altro, quasi come se fossero collegati da un unico filo, un aggrovigliamento (è la traduzione di entanglement) lungo anche 1.200 km. Il problema è che realizzare un’autostrada del genere non è semplice visto che servono condizioni ottimizzate e difficilmente replicabili nella realtà. Il rischio di una instabilità del sistema è concreto ed è proprio su questo che i tecnici dovranno lavorare se l’obiettivo è quello di rendere il test fotonico-quantistico uno standard della comunicazione del prossimo futuro.

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La tecnologia del silicio sembrava agli antipodi dell’informatica quantistica, o quasi. Le attuali strutture di cui sono fatti i computer moderni non sembravano infatti in grado di veicolare i tanto discussi qbit, ovvero i bit quantistici, molto più performanti dei bit classici, capaci di assumere solo i valori 0 e 1. Eppure un team dell’Università del New South Wales in Australia ha dimostrato che è possibile scrivere e manipolare codice quantico utilizzando due qbit in un microchip di silicio. Grazie alla teoria, i ricercatori hanno creato un esperimento basato sul fenomeno conosciuto come “quantum entanglement” che permette di analizzare una particella esattamente nel momento in cui passa l’informazione a quella successiva, indipendentemente dalla distanza alla quale le due si trovano.

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Cosa succede

L’esperimento ha riguardato due particelle quantiche, un elettrone e il nucleo di un singolo atomo di fosforo, all’interno di un microchip di silicio. La novità, rispetto ai test precedenti è proprio nel silicio: un ambiente in cui in precedenza i singoli fotoni non riuscivano a trasferire i dati in modo funzionale, spesso distruggendoli durante il viaggio. L’idea geniale è stata quella di porre il primo qbit nella posizione “0” e successivamente nella super position (possibile solo nella fisica quantica)  +1, e allo stesso modo è stato fatto per il secondo qbit. In questo modo i due fotoni hanno cominciato a dialogare, senza perdita di qualità. Il tutto all’interno di un contesto al silicio che è, in teoria, replicabile sui computer classici, persino smartphone e tablet che nel prossimo futuro potrebbero fare a meno di centinaia di bit per averne solo due, ma quantici.

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Che il computer fotonico sia nei programmi di IBM lo sapevamo da tempo, ma la vera novità potrebbe essere il chip che poi potrebbe essere adattato anche ad altri sistemi. I ricercatori dell’azienda hanno già realizzato e sono in procinto di testare ricetrasmettitori ottici da 100 Gbps. a differenza di quelli attuali, i nuovi utilizzano la luce come via di comunicazione per lo scambio dei dati permettendo così di raggiungere velocità mai viste. A beneficiarne sarebbero prima di tutto le infrastrutture a larga adozione, come quelle di data center, amministrazioni, edifici pubblici, ma anche gli utenti finali in grado di scaricare, alla massima velocità, film e foto in pochi secondi.

Il silicio

Il chip fotonico utilizza quattro diversi fonti di luce per il trasporto di dati all’interno di autostrade fatte di fibra ottica invece dei classici conduttori di rame che hanno un evidente limite tecnico. “Rendere la tecnologia della fotonica del silicio pronta per un utilizzo commerciale diffuso aiuterà l’industria dei semiconduttori a tenere il passo con la continua crescita della domanda di potenza di calcolo, generata dai Big data e dai servizi cloud – ha commentato Arvind Krishna, senior vice President e Director della Ricerca IBM – così come la tecnologia della fibra ottica ha rivoluzionato il settore delle telecomunicazioni velocizzando il flusso dei dati e portando enormi vantaggi ai consumatori, la sostituzione dei segnali elettrici con impulsi di luce offrirà opportunità inimmaginabili. Questa tecnologia è progettata per rendere i sistemi informatici del futuro più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico e consentirà di acquisire elementi di conoscenza dai Big Data in tempo reale”.

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Si chiama QSA, Quantum-Secure Authentication, ed è la tecnologia che fermerà il furto di dati informatici. Secondo gli esperti e i tecnici di sicurezza, gli hacker non potranno più determinare il contenuto di alcuni dispositivi, come le carte di credito, a causa dell’adozione di un processo studiato in fisica quantistica.

Il sistema si concentra sul funzionamento di una singola particella di luce, fotone, e sulla sua abilità di codificare dati su strati multipli contemporaneamente, un fenomeno già descritto nel particolare campo di studio della fisica. Come spiegano i ricercatori: “Siamo riusciti a dimostrare come l’autenticazione quantica (QSA) sia possibile per alcune chiavi di sicurezza. L’autenticazione avviene grazie all’illuminazione, attraverso una luce pulsante che contiene una serie di fotoni in grado di verificare la correttezza della luce riflessa”.

Di cosa si tratta

Detto in parole semplici, ogni singola carta di credito conterrebbe informazioni fotoniche univoche che verrebbero verificate da un lettore abilitato, così da permettere la validazione delle diverse operazioni. In questo modo è impossibile leggere le informazioni contenute e, soprattutto, clonarle, visto che ogni fotone contiene informazioni specifiche non replicabili. Se pensate che un sistema del genere sia costoso da realizzare, i ricercatori affermano che in realtà le nuove carte, prodotte in massa, non comporterebbero spese così rilevanti, sia per l’istituto che per i clienti. In più si avrebbe tra le mani un sistema di pagamento, almeno per il momento, unico ed estremamente sicuro.

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Risale al 1934, ad opera degli scienziati Gregory Breit e John Wheeler, la prima ipotesi concreta di esperimento scientifico in questa direzione: secondo i due studiosi la materia avrebbe potuto essere generata dalla luce emessa da due fotoni, creando un elettrone e un positrone. L’inadeguatezza delle tecnologie dell’epoca tuttavia rese inattuabile l’ipotesi, che mancò sempre di una verifica.

Dalla teoria alla realtà

Il sogno della luce trasformata in materia sembra vedere oggi la sua realizzazione. Dopo alcuni decenni, sono i ricercatori dell’Imperial College di Londra a riprendere in mano la teoria, trovando un modo efficace per dimostrarne l’esattezza. Grazie all’uso di nuove strumentazioni, come un potente laser ad alta intensità capace di accelerare elettroni raggiungendo quasi la velocità della luce, gli studiosi hanno finalmente confermato quanto la teoria della “collisione tra fotoni” possa avere un riscontro concreto scientificamente provabile.

Tuttavia il professor Steve Rose dell’Imperial College precisa che, nonostante la fattibilità dell’esperimento sia dimostrabile, generando effettivamente materia dalla luce, il risultato finale non è visibile ad occhio nudo, almeno per il momento.

“Nonostante il fatto che tutti i fisici accettino la teoria, quando Breit e Wheeler la proposero per la prima volta, sostennero che non si aspettavano potesse essere dimostrata in laboratorio. Oggi, quasi 80 anni dopo, proviamo che si sbagliavano”, ha dichiarato Rose. “E’ stata sorprendente per noi la scoperta di poter creare la materia direttamente dalla luce usando la tecnologia che abbiamo oggi nel Regno Unito. Come teorici, stiamo trasmettendo ad altri la possibilità di utilizzare le nostre idee per intraprendere questo esperimento e averlo come punto di riferimento”.

Il laser che trasforma la luce

Ma com’è stato possibile attuare un sogno lungo 80 anni? La chiave del successo risiede in un potentissimo laser ad alta intensità, in grado di scagliare elettroni alla velocità della luce verso una lastra d’oro. Il risultato? Fotoni un miliardo di volte più energetici della luce visibile. Successivamente si è utilizzato il laser sparando alta energia sulla superficie di un cilindro d’oro minuscolo chiamato Hohlraum che, in tedesco, significa cavità.

Da questo processo è nato un campo di radiazione termica di fotoni. Gli studiosi hanno poi indirizzato il fascio di fotoni dalla lastra d’oro contro la parte centrale dell’Hohlraum, e dalla collisione tra le due fonti di fotoni sono nati elettroni e positroni.

La ricerca, pubblicata su Nature Photonics, è stata finanziato dal Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), dal John Adams Institute for Accelerator Science e la Atomic Weapons Establishment (AWE).

Il precedente

Nel 1997 si era ricavata materia dall’energia, presso il Linear Accelerator Center di Stanford, introducendo un potente fascio di elettroni in un raggio laser di fotoni. La collisione tra elettroni e fotoni generava di tanto in tanto un elettrone e un positrone.

“Non c’era energia sufficiente a Stanford per osservare il processo di Breit-Wheeler; è stato osservato invece un processo molto più complesso, quello secondo il quale i fotoni ad alta energia interagiscono con più fotoni a bassa energia in un campo laser”, spiega l’autore principale dello studio, Oliver Pike, dell’Imperial College di Londra. “Nel nostro lavoro, non ci sono particelle massive presenti. Il nostro schema rappresenterebbe, quindi, la prima prova del principio di una pura collisione fotone-fotone”.

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Gli algoritmi che permettono ciò utilizzano chiavi crittografiche, sequenze segrete e casuali di 0 e 1, condivise solo tra mittente e destinatario e deliberatamente nascoste al resto della rete.

Queste chiavi devono quindi essere scambiate in modo completamente sicuro. Utilizzando la crittografia quantistica, al contrario di quanto avviene con i metodi classici, si dimostra che questo scambio può avvenire a distanza, utilizzando i quanti di luce – i fotoni – come mezzo di comunicazione. A livello sperimentale si sono ottenute dimostrazioni di questo metodo tra terminali collegati con fibre ottiche o in spazio libero, come in una dimostrazione pubblica nel Salone di Palazzo della Ragione a Padova due anni fa.

In uno studio pubblicato il 6 Settembre 2013 su Nature Communications, Davide Bacco, Matteo Canale, Nicola Laurenti, Giuseppe Vallone e Paolo Villoresi, tutti del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Padova hanno studiato e dimostrato sperimentalmente il limite massimo della distribuzione quantistica delle chiavi in condizioni reali, ossia in presenza di rumore ambientale e trasmettendo un numero limitato di fotoni in presenza di intrusi con diverse capacità.

Gli autori fanno parte dal Progetto QuantumFuture, uno dei dieci Progetti Strategici dell’Università di Padova lanciati nel 2009. QuantumFuture, coordinato dal Prof. Paolo Villoresi, ha permesso di aprire il Laboratorio di Comunicazione Quantistica e ha unito nella ricerca nell’ambito dell’Informazione al limite quantico i quattro gruppi di ricerca di Telecomunicazioni Quantistiche, coordinato dal Dr. Nicola Laurenti, Teoria del Controllo Quantistico, coordinato dal Dr. Francesco Ticozzi, Astronomia Quantistica coordinato dal Prof. Cesare Barbieri e Ottica Quantistica, coordinato dal Prof. Villoresi. Il Dr. Giuseppe Vallone è stato reclutato grazie ad una iniziativa del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, il Progetto Strategico QUINTET.

“Sfruttando i principi della fisica quantistica è possibile, per due utenti distanti, condividere chiavi crittografiche con la garanzia di una segretezza incondizionata, vale a dire l’impossibilità per un intruso di leggere la chiave senza essere scoperto – spiega il prof. Villoresi -. Se si utilizzano i fotoni come portatori di bit, quando un intruso tenta di leggerli, inevitabilmente ne altera le proprietà, consentendo agli utenti di sapere che la chiave scambiata non è più sicura (e non va dunque utilizzata). Al contrario, la sicurezza della crittografica classica – attualmente utilizzata in internet – è basata su problemi matematici che oggi sono di difficile soluzione, ma in futuro potrebbero diventare risolvibili grazie al progresso della matematica, dell’informatica o allo sviluppo di calcolatori quantistici.”

Ma se in laboratorio i sistemi di crittografia quantistica si realizzano in ambienti isolati e basandosi sull’ipotesi di poter scambiare un numero grande a piacere di fotoni, nella realtà le cose cambiano. Infatti, in un sistema di crittografia quantistica realistico la percentuale di bit sicuri su bit inviati diminuisce al diminuire del numero di fotoni inviati e all’aumentare del rumore nel canale di trasmissione e nei dispositivi di ricezione.

Il team padovano ha utilizzato un approccio alla quantificazione della chiave sicura recentemente proposto da alcuni ricercatori svizzeri per realizzare sperimentalmente una trasmissione di bit quantistici (qubit) per mezzo di fotoni e ha analizzato i diversi livelli di sicurezza in funzione del rumore e delle capacità di un eventuale intruso. L’esperimento ha permesso di scambiare chiavi segrete tra due utenti in presenza di rumore anche inviando un numero limitato di qubit. Questo risultato apre nuove prospettive in contesti in cui le possibilità di trasmissione sono limitate da vincoli fisici, come nel caso di comunicazioni satellitari a grande distanza, come rappresentato nella figura, dove la finestra di trasmissione tra i terminali è di pochi minuti. Il gruppo è attivo da anni anche nella ricerca su questo filone, detto Satellite Quantum Communications, nel quale ha ottenuto la prima dimostrazione dello scambio di un singolo fotone da un terminale in orbita.

Tratto da u-tools.it – Strumenti per universitari

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Il futuro dell’informazione sembra correre sulla luce. Dopo il primo chip a fotoni creato in collaborazione da diversi dipartimenti di Fisica italiani, l’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (CnrNano) e l’Istituto italiano di tecnologia (Iit) hanno realizzato il primo transistor che funzione a segnali esclusivamente ottici. Il nuovo sistema sfrutta le particelle quantistiche chiamate polaritoni ed è in grado di assolvere le normali operazioni eseguite da un computer.

Come funziona

“Il transistor che abbiamo realizzato – spiega Daniele Sanvitto di CnrNano di Lecce –  restituisce in uscita un segnale amplificato di circa 20 volte e in grado di dare l’input a un transistor successivo: è quindi possibile assemblarne diversi in cascata, il primo passo per creare circuiti ottici”. “Grazie a segnali compatibili, è la prima volta che più transistor ottici funzionano in serie. Lo studio – continua Sanvitto  – mostra che assemblando tre transistor polaritonici è possibile realizzare i circuiti noti come porte logiche AND e OR, che sono i mattoni fondamentali della logica binaria delle operazioni alla base di ogni computer”.

Il futuro dell’informatica

Il transitor a polaritoni apre nuovi e straordinari scenari nell’informatica. Le strutture per la trasformazione dei segnali saranno più veloci ed economiche e poiché  il sistema può “ricevere più segnali di input, si possono immaginare circuiti che operano con la logica di tipo neuronale”.

Attualmente l’utilizzo di segnali luminosi per il trasporto dell’informazione è studiato anche per la fibra ottica. L’Università di Boston ha pensato di utilizzare i “vortici di luce” per far viaggiare i dati fino a 1,6 terabit (1.600 gigabit) al secondo.

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Un equipe di ricercatori provenienti da importanti dipartimenti di Fisica italiani ha creato un processore che sfrutta la luce per funzionare. Questo è un passo importante verso la realizzazione dei computer quantistici, su cui i maggiori esperti degli IT stanno lavorando da anni.

Il chip a fotoni

Il prototipo di forma cubica è stato realizzato in vetro, in cui è stato posto un circuito che sfrutta i fotoni per funzionare. “Non un vero computer quantistico – ha spiegato Paolo Mataloni del dipartimento di Fisica della Sapienza – in grado di risolvere qualsiasi tipo di calcolo, per la cui realizzazione la strada è ancora lunga, ma piuttosto un sistema dedicato alla soluzione di problemi specifici legati a fenomeni fisici particolari”.

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