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Il futuro di Internet e della comunicazione informatica passa attraverso la meccanica quantistica. No, non è uno scherzo. Diversi laboratori di ricerca sparsi per il mondo, infatti, stanno realizzando prototipi della rete quantistica, un network di comunicazione che sfrutta alcuni principi della fisica quantistica per trasportare pacchetti di informazioni da un capo all'altro del globo.
Cos'è la rete quantistica
La rete quantistica altro non è che una derivazione della crittografia quantistica. Quest'ultima tecnologia si avvale dei principi della comunicazione quantistica e della computazione quantistica per far sì che i dati scambiati tra due nodi di una rete non siano decifrabili – almeno in teoria – da utenti esterni alla comunicazione stessa. Le reti quantistiche nascono, quindi, dalla necessità di sviluppare mezzi di comunicazione adatti a trasportare e impiegare questo tipo di dati. Il dato quantistico è sostanzialmente costituito da fotoni i quali, sfruttando la tecnica dell'entanglement quantistico– detta anche della correlazione quantistica – sono in grado di trasportare l'informazione relativa ad un particolare stato quantico di un sistema.
Alla base della comunicazione in una rete quantistica troviamo il "bit quantistico" o qubit. I qubit sono blocchi elementari di informazioni che presentano una maggiore versatilità rispetto ai bit di una "normale" rete informatica. Questi ultimi, infatti, possono assumere solamente un valore ben definito ("0" o "1", "acceso" o "spento", "aperto" o "chiuso", ecc.), mentre i qubit sono caratterizzati dalla possibilità di assumere valori sovrapposti (ovvero possono assumere contemporaneamente il valore di "0" e "1"). Questa sostanziale indeterminatezza è dovuta al principio della fisica quantistica noto come il principio di indeterminazione di Heisenberg (da cui il famoso paradosso del Gatto di Schrödinger, secondo il quale non è possibile stabilire se un gatto rinchiuso in una scatola sia vivo o morto fino a che non si apre il contenitore che lo contiene). Queste peculiari proprietà permettono alle reti quantistiche di trasportare le informazioni in maniera molto più sicura e processare una quantità di dati superiore rispetto alle reti tradizionali e da qui nasce il grande interesse che le circonda.
Come funziona la rete quantistica
Lo scambio di dati, come già detto, è regolato dai principi dell'entanglement quantistico. In un sistema del genere, i dati vengono trasmessi sfruttando le caratteristiche fisiche di atomi per i quali è possibile individuare due stati di eccitazione elettronica ben distinti (l'equivalente dello "0" e dello "1" dei bit tradizionali). Quando questi atomi vengono stimolati (ad esempio attraverso un laser), rilasciano unfotone che veicola le informazioni - sotto forma di energia legata ad un particolare stato quantico – e le trasmette ad un altro atomo non appena incide su quest'ultimo, effettivamente riproducendo lo stato quantico dell'atomo originale.
I primi esperimenti
Esattamente come accaduto per Internet, i primi prototipi di rete quantistica sono stati realizzati dall'agenzia statunitense DARPA. Ora anche altri enti di ricerca e istituzioni universitarie stanno realizzando dei prototipi analoghi. Il Max Planck Institute di Garching (Germania) è riuscita a trasmettere dei dati utilizzando una rete quantistica lunga circa 60 metri.
"Siamo stati in grado – ha affermato Stephane Ritter, uno degli scienziati dell'istituto di ricerca tedesco – di realizzare una rete quantistica perfettamente funzionante. Abbiamo realizzato uno scambio reversibile di informazione e dimostrato che è possibile sfruttare l'entanglement per la trasmissione di informazioni su media distanza. Si tratta di un fenomeno affascinante di per sé, ma che conferma, inoltre, la possibilità di creare un'intera Internet quantistica".
Nel corso dell'esperimento, i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature, gli scienziati hanno utilizzato due atomi di rubidio intrappolati in cavità ottiche riflettenti. I due atomi – i due nodi della rete, in pratica – erano connessi tramite un cavo di fibra ottica sul quale viaggiavano i fotoni deputati a trasportare l'informazione. Sfruttando i principi dell'entanglement quantistico, ogni volta che uno dei due atomi veniva sollecitato con una luce laser, emetteva un fotone in grado di trasportare il relativo qubit di informazione. In particolare, lo stato di polarizzazione dell'atomo veniva "intrappolato" e trasportato dal fotone verso l'altro atomo senza subire alcuna variazione; di contro il secondo atomo, una volta colpito dal fotone, assumeva la stessa polarizzazione del primo atomo, ricevendo così il qubit di informazione inviato.
Gli ultimi esperimenti: fibra ottica per la rete quantistica
Dal primo esperimento ad oggi la rete quantistica ha iniziato a prendere una forma sempre più concreta, attraverso diversi studi e ricerche che puntano a individuare i migliori materiali e le più promettenti tecnologie per trasformarla in una realtà quotidiana. Gli scienziati, utilizzando le reti già esistenti in fibra ottica per il "normale" Internet, stanno provando a trasportare pacchetti di informazione immagazzinati in impulsi di luce per distanze sempre più lontane.
A ottobre 2020 il professore associato di fisica della Stony Brook University, Eden Figueroa, ha annunciato di aver sviluppato con successo una rete quantistica in grado di trasportare i pacchetti di informazione su lunga distanza. Un passo importante per creare quella che potrebbe essere l'infrastruttura dell'Internet quantistico: più veloce e a prova di hacker.
Nei loro laboratori Figueroa e colleghi hanno realizzato una rete quantistica facendo passare le informazioni attraverso dei cavi in fibra ottica, inviando un singolo fotone per volta dall'università di Stony Brook al Brookhaven National Laboratory, che si trova a una distanza di circa 130 chilometri, in appena pochi microsecondi.
Il team di Figueroa non è l'unico a studiare l'utilizzo della fibra ottica per la creazione della rete quantistica. A gennaio 2021 un nuovo record è stato segnato, stavolta dall'esperimento guidato da Panagiotis Spentzouris e coordinato dal Fermilab in collaborazione con l'università di Chicago. I ricercatori sono infatti riusciti a trasportare pacchetti di informazione immagazzinati in impulsi di luce attraverso una connessione in fibra ottica lunga 44 chilometri, con un'efficienza del 90%.
Si tratta di un risultato buono a livello tecnico, perché ancor più del precedente pone le basi per sfruttare non semplicemente la fibra ottica, ma la rete con essa costituita già esistente. Proprio la compatibilità del sistema con l'infrastruttura di telecomunicazioni esistente, e con i dispositivi quantistici di elaborazione e archiviazione, rendono il risultato di Spentzouris senza precedenti: potrebbe essere utilizzato per gettare le basi della prima rete quantistica metropolitana nella città di Chicago.
