Quantum Internet: ricercatori del QuTech di Delft presentano la roadmap per lo sviluppo

La realizzazione di una rete Internet quantistica ha lo scopo di rendere possibili applicazioni che sono attualmente fuori dalla portata della rete Internet classica.
Una rete internet quantistica si potrebbe integrare con la rete internet classica, aggiungendo uno strato di comunicazione quantistica, ma alcuni ricercatori, si sono spinti anche oltre, fino a pensare che in un futuro probabile, tutte le comunicazioni potrebbero essere attuate su canali quantistici. L’applicazione più nota di una Internet quantistica è la Quantum Key Distribution (QKD), che consente a due nodi di rete remoti di stabilire una chiave crittografica la cui sicurezza si basa sulle leggi della meccanica quantistica. Una rete Internet quantistica può inoltre essere utilizzata per molte altre applicazioni che portano vantaggi che non si possono ottenere con una rete classica.

Esempi di queste altre applicazioni sono: l’accesso sicuro ai computer quantistici remoti, una sincronizzazione degli orologi più precisa, e applicazioni di carattere più scientifico come il combinare la luce proveniente da telescopi lontani per migliorare i risultati delle osservazioni. Probabilmente, nel prossimo decennio, con il progredire dello sviluppo di una rete Internet quantistica verranno scoperte molte altre utili applicazioni.

Il punto fondamentale di tutte queste applicazioni è che una rete Internet quantistica ci consente di trasmettere i qubit (quantum bit), che sono profondamente differenti dai bit classici. I bit classici possono assumere solo due valori, 0 o 1, mentre i qubit possono trovarsi in una sovrapposizione di 0 e 1 allo stesso tempo. È importante sottolineare che i qubit non possono essere copiati (teorema di no-cloning) e qualsiasi tentativo di farlo può essere rilevato. Ed è proprio questa caratteristica che rende i qubit naturalmente adatti per le applicazioni nell’ambito della sicurezza, ma, allo stesso tempo, rende la trasmissione dei qubit su lunghe distanze una sfida particolarmente difficile. Poiché i qubit non possono essere copiati o amplificati, la ripetizione o l’amplificazione del segnale sono soluzioni necessariamente escluse. E’ quindi necessario uno sviluppo tecnologico radicalmente nuovo, come i quantum repeater (ripetitori quantistici), per rendere possibile la costruzione di una rete Internet quantistica.

Un rete Internet quantistica consiste di tre elementi hardware quantistici fondamentali

Un rete Internet quantistica consiste di tre elementi hardware quantistici fondamentali

In questo momento storico ci troviamo in una fase emozionante, in qualche modo simile alla vigilia della nascita della rete Internet classica. Alla fine del 1969 fu inviato il primo messaggio sulla rete, costituita da quattro nodi, che stava nascendo in quel periodo (la famosa rete della Advanced Research Project Agency, conosciuta come ARPANET). I recenti progressi tecnologici suggeriscono che potremmo vedere le prime implementazioni su piccola scala delle reti quantistiche entro i prossimi 5 anni.

A prima vista, la realizzazione di una rete Internet quantistica può apparire anche più complessa della costruzione di un computer quantistico su larga scala. In prima battuta, potremmo immaginare, in piena analogia con la rete internet classica, che la versione finale di una rete quantistica globale sia costituita da computer quantistici in grado di scambiare un numero arbitrario di qubit. Fortunatamente, molti protocolli per la creazione una rete Internet quantistica non richiedono la realizzazione di computer quantistici di grandi dimensioni: un dispositivo quantistico con un singolo qubit è già sufficiente per molte applicazioni. Inoltre, gli errori nei protocolli Internet quantistici possono essere spesso trattati utilizzando la correzione dell’errore classica invece di quella quantistica, imponendo così, meno richieste sul controllo e sulla qualità dei qubit di quanto non avvenga per un computer quantistico completo.

La ragione per cui i protocolli Internet quantistici possono superare la comunicazione classica con risorse relativamente modeste è perché i loro vantaggi si basano esclusivamente su proprietà intrinseche delle meccanica quantistica, come l’entanglement quantistico, che può essere sfruttato già con pochissimi qubit. Al contrario, un computer quantistico deve presentare più qubit di quanti possano essere simulati su un computer classico per offrire un vantaggio computazionale. Date le sfide poste dallo sviluppo di una Internet quantistica, è utile riflettere su quali siano le capacità necessarie per raggiungere le specifiche applicazioni quantistiche e quali tecnologie sono necessarie per realizzarle.

I ripetitori quantistici funzionano in un modo completamente differente da quelli classici

I ripetitori quantistici funzionano in un modo completamente differente da quelli classici

I ripetitori quantistici vengono utilizzati per trasmettere informazioni quantistiche su lunghe distanze. Nella sua forma più semplice, un ripetitore quantistico funziona generando prima l’entanglement (linea tratteggiata) tra il ripetitore (al centro) e ciascuno dei nodi finali (sinistro e destro) individualmente. Intuitivamente, ciò può essere fatto perché la distanza di ciascun punto terminale rispetto al ripetitore è ancora sufficientemente piccola da consentire la generazione diretta di entanglement, trasmettendo i fotoni su una fibra ottica per telecomunicazioni. Successivamente, il ripetitore teletrasporta uno dei qubit in entanglement con il nodo 1 sul nodo 2. Questa procedura è nota come entanglement swapping e consente la creazione di entanglement su distanze a cui la trasmissione diretta non è fattibile. Dopo aver stabilito l’entanglement a lunga distanza, un qubit può ora essere inviato utilizzando il teletrasporto quantistico.

I ricercatori di Delft, Stephanie Wehner, David Elkouss e Ronald Hans, hanno definito i diversi stadi di sviluppo per arrivare alla realizzazione di una Internet quantistica completa e, si aspettano che questa classificazione sia utile nel guidare e valutare i progressi sperimentali e nello stimolare lo sviluppo di nuove applicazioni, fornendo un linguaggio ed una struttura di riferimento comuni per le diverse discipline scientifiche e ingegneristiche coinvolte.
Le fasi più avanzate si distinguono per una maggiore quantità di funzionalità, supportando protocolli applicativi sempre più sofisticati. Per ogni fase, vengono descritti alcuni dei protocolli applicativi che sono già noti e che possono essere realizzati con la relativa funzionalità. È immaginabile che in futuro si possano trovare protocolli più semplici, o analisi teoriche, per risolvere gli stessi compiti, ma in modo più ottimale. Parallelamente alle sfide sperimentali che servono per rendere il Quantum Internet una realtà, vi è quindi una grande opportunità per gli sviluppatori di software quantistico: quella di progettare protocolli in grado di realizzare i compiti delle varie fasi, ma che abbiano implementazioni più semplici. I ricercatori hanno poi identificato i parametri rilevanti per ogni fase, al fine di stabilire un linguaggio comune tra gli sviluppatori di hardware e di software. Nello studio realizzato, infine, viene esaminato il progresso tecnologico in fisica sperimentale, ingegneria e informatica che è necessario per raggiungere gli obiettivi di ogni fase.

Gli stadi di sviluppo di una rete Internet Quantistica

Gli stadi di sviluppo di una rete Internet Quantistica

Costruire e rendere scalabili le reti quantistiche è un compito incredibilmente complesso, che richiede sforzi sostenuti e ben coordinati in fisica, informatica e ingegneria per poter avere successo. Le fasi di sviluppo proposte dai ricercatori faciliteranno la comunicazione interdisciplinare riassumendo ciò che si potrebbe effettivamente ottenere, e fornendo delle linee guida sia per la progettazione dei protocolli, che per lo sviluppo del software e, inoltre saranno utili anche per le implementazioni hardware realizzate mediante fisica e ingegneria sperimentale. Sebbene sia difficile prevedere quali saranno le componenti esatte di una futura internet quantistica, è probabile che vedremo la nascita delle prime reti quantistiche multi-nodo nel giro di pochi anni. Lo sviluppo reale di questo progetto offre l’eccitante opportunità di testare tutte le idee e le funzionalità che finora sono esistite solo sulla carta e potrebbe davvero costituire l’alba di una futura rete Internet quantistica su vasta scala.


Per approfondimenti: “Quantum internet: A vision for the road ahead

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