Quantum Internet: la super-rete del Quantum Computer

 

Sono trascorsi quasi due decenni da quando il calcolo quantistico ha catturato per la prima volta l’immaginazione del pubblico come un potenziale strumento per affrontare il problema della crittografia. Ora, i sistemi di informazione quantistica stanno diventando una realtà come generatori di codice la cui sicurezza è governata dalle leggi della fisica piuttosto che dalla complessità computazionale.

Nell’articolo “Alle soglie del futuro dell’elettronica: il computer quantistico” si è sinteticamente descritto come il qubit sia in grado di “superare” il bit classico, e quali sono i suoi principali vantaggi nella realizzazione di un computer quantistico.

I tre principali fenomeni della fisica quantistica – sovrapposizione, interferenza ed entanglement – entrano così nella realizzazione di macchine capaci di generare una quantità di informazione pari a 2^{^N}bit classici (con N qubit) e di realizzare algoritmi in grado di ridurre drasticamente i tempi di calcolo di processi oggi ritenuti non possibili con l’informatica classica.

Tuttavia, ancora più sorprendenti sono gli obiettivi posti dai ricercatori per la realizzazione di una rete quantistica tra Quantum Computer: il Quantum Internet. L’attuale rete globale, infatti, non può adattarsi al trasporto di qubit (che ricordiamo sono particelle quantistiche “entangled“) eppure anche in questo caso – come per il Quantum Computer – la super-rete non si porrà come sostitutiva dell’attuale, bensì come eccezionale supporto integrativo per il superamento di alcuni tra i più noti limiti dell’attuale Internet. Le tecnologie richieste sono radicalmente nuove, ma permetteranno di risolvere processi e problemi impossibili da realizzare con le tecnologie correnti, come ad esempio comunicazioni assolutamente sicure, identificazione sicura, verifica della posizione, calcolo dedicato sicuro e molti altri che vedremo nel corso dei prossimi articoli.

Su una rete quantistica non vengono inviati bit (0/1), ma qubit. Ciò nonostante, gli elementi base strutturali – sebbene realizzati con tecnologie completamente diverse – non differiscono molto concettualmente da quelli in uso oggi. Il primo elemento di una rete quantistica è ciò che viene chiamato “nodo terminale” (end-node), ed è rappresentato da un computer, un tablet o un telefono collegato alla super-rete. Come si immagina, questi terminali non saranno quelli attualmente in uso sull’internet classico, ma dovranno essere terminali quantistici in grado di inviare qubit, sebbene per la maggior parte delle applicazioni quantistica saranno sufficienti meno di 10 qubit, oppure addirittura un solo qubit. Quindi l’end node di un Quantum Internet sarà un dispositivo piuttosto “semplice” (in termini di complessità tecnologica quantistica), da affiancare al comune terminale tradizionale.

La ragione per cui non occorrono molti qubit in un terminale quantistico risiede nel fatto che la potenza di dell’internet quantistico è da ricercarsi nel fenomeno dell’entanglement ed è sufficiente solo un qubit per avere l’entanglement fra due end node. Al contrario, in un computer quantistico (vedi articolo citato) sono necessari molti qubit per raggiungere gli straordinari obiettivi di calcolo desiderati.

 

Ripetitori

Similmente alla rete globale attuale, anche la rete quantistica avrà bisogno di dispositivi di instradamento (switch) per indirizzare i singoli qubit verso la destinazione richiesta e di ripetitori (quantum repeater) per innalzare il segnale.

Proprio quest’ultimo elemento – il quantum repeater – rappresenta ancora un ostacolo chiave alla realizzazione di un’efficiente rete quantistica: la trasmissione di informazioni quantistiche a lunga distanza è tutt’ora in corso di sperimentazione. In un documento nel Physical Review Letters, Julia Fekete dell’Istituto di Scienze Fotoniche, Spagna, riporta la prima dimostrazione di una sorgente di coppie di fotoni a banda stretta spettrale in cui un fotone può indirizzare memorie quantistiche a stato solido a lunghezze d’onda visibili, mentre l’altro si trova alla stessa lunghezza d’onda in cui operano i sistemi di telecomunicazione. [link all’articolo]. Si tratta di un elemento critico per un ripetitore compatibile con i sistemi di telecomunicazione e quindi ci avvicina di un passo alla realizzazione di un Internet quantistico.

Come in uno schema di comunicazione classico, l’informazione quantistica può essere trasmessa usando fotoni infrarossi in fibre ottiche. Tuttavia, i fotoni decadono esponenzialmente mentre si propagano, limitando le distanze di comunicazione massime a circa 100 chilometri. Nelle reti classiche, questo problema viene risolto utilizzando ripetitori costituiti da amplificatori di fotoni. Tuttavia, questi non sono utilizzabili in un Internet quantistico perché l’amplificazione degrada lo stato di entanglement, quindi sono necessari ripetitori quantistici con differente tecnologia. I dettagli scientifici dell’attuale stato dell’arte per la realizzazione di tali ripetitori sono descritti in questa pagina del Centre for Quantum Computation australiano.

 

Perché la trasmissione di qubit è così potente?

I qubit hanno caratteristiche molto speciali: ad esempio, non possono essere copiati, rendendoli ideali per le applicazioni di sicurezza. Due qubit possono trovarsi in uno stato molto particolare: uno stato entangled (nota: due particelle entangled non rappresentano più due enti separati, ma un’unica manifestazione di una sola entità). Per comprendere perché l’entanglement è così utile occorre ricordare due fondamentali proprietà di questo fenomeno: il “massimo coordinamento” e il fatto che due particelle entangled sono “intrinsecamente private“.

Due qubit si mantengono in condizione di entanglement anche a distanze molto lunghe: si può avere – ad esempio – un qubit in Roma, entangled con un qubit in Cina. Effettuando la stessa misurazione sul qubit di Roma e quello cinese, si verificherà l’ottenimento dello stesso risultato. La misurazione può essere pensata come porre una domanda al qubit (es: “stai puntando a destra o a sinistra?“): il massimo coordinamento si traduce nel fatto che quando viene visualizzato il risultato a Roma, a fronte della stessa domanda un risultato identico verrà visualizzato istantaneamente anche in Cina.

Il fatto sorprendente dell’entanglement è che il massimo coordinamento è sempre vero per qualsiasi tipo di misurazione (o domanda) a cui è sottoposto il qubit: in ogni caso i risultati saranno sempre gli stessi tra i due qubit entangled ed è proprio questa caratteristica che rende l’entanglement un fenomeno fondamentale per tutte le attività che richiedono sincronizzazione o coordinamento.

La seconda caratteristica dell’entanglement è che il fenomeno è intrinsecamente privato. Ci si potrebbe chiedere, visto che i qubit consentono questo massimo coordinamento istantaneo, se non sia vantaggioso avere molti qubit fra loro entangled. Risulta, invece, che al massimo solo 2 qubit possono trovarsi in stato di entangled fra loro, rendendo perciò questo fenomeno intrinsecamente privato. Il collegamento fra il qubit in Roma e quello in Cina realizza una connessione assolutamente unica, di cui nessun’altra particella nell’universo può far parte: è questa caratteristica del fenomeno che lo rende perfettamente idoneo per tutte le attività che richiedono privacy e sicurezza.

 

Teletrasporto quantistico

Abbiamo visto a grandi linee i vantaggi e le caratteristiche del fenomeno di entanglement applicato a un sistema di Quantum Internet, ma come è possibile usare l’entanglement per teletrasportare un certo stato quantistico?

È noto che, disponendo di due particelle in stato di massimo entanglement (A e B), effettuando una misura sulla particella A, istantaneamente la particella B collassa nello stesso stato misurato su A (o nello stato opposto, a seconda di come è stato generato l’entanglement), e ciò avviene immediatamente, a velocità superiore a quella della luce (ricordiamo che non c’è trasmissione di informazione tra le due particelle, esse non rappresentano più due enti separati, ma un’unica manifestazione di una sola entità). Tuttavia l’osservatore della particella B non potrà mai sapere se l’osservatore della particella A ha effettuato la misura, senza prima ricevere un segnale da una rete classica (che non può superare la velocità della luce) per notificare a B che la misura è stata effettuata.

Supponiamo di avere 2 stazioni terminali, Alice e Bob, i quali condividono uno stato entangled. Ciò significa che Bob ha un qubit dello stato entangled e Alice ha l’altro. Ma Alice dispone anche di un secondo qubit (chiaramente non entangled con altri) che si trova, ad esempio, nello stato “A”: l’obiettivo è quello di teletrasportare lo stato A al qubit di Bob. Per prima cosa Alice effettua una misura sui suoi qubit ottenendo come risultato 2 bit classici dei 4 risultati possibili; analizzando questo risultato, Alice invia a Bob (su una rete classica) i 2 bit ottenuti con altre istruzioni di misura. Dal proprio lato, Bob riceve i due bit e i codici di controllo, effettua un’operazione di correzione quantistica e applica la misura sul suo qubit, ottenendo come risultato lo stato “A” del qubit originario di Alice.

Al termine di queste operazioni, si sarà ottenuto il teletrasporto di uno stato quantistico senza fare uso di una struttura idonea alla trasmissione di qubit, ma ciò è stato possibile solo grazie allo stato di entanglement iniziale. Occorre inoltre notare che il teletrasporto non potrà avvenire istantaneamente (a velocità superiori a quella della luce) in quanto Bob non potrà effettuare la misurazione prima di aver ricevuto l’informazione necessaria che viaggia su una rete classica, e potrà quindi essere influenzata dalla distanza e dal traffico.

 

Conclusione

L’entanglement tra due particelle (o due qubit), non necessita di supporto fisico per la trasmissione dell’informazione quantistica: essa avviene istantaneamente perché due qubit entangled rappresentano la stessa entità fisica. Al fine, però, di rendere fruibile questo fenomeno sarà comunque necessaria una rete classica per trasmettere le informazioni relative alla misurazione effettuata (che collassa il qubit in uno stato noto). In un successivo articolo verrà chiarito come questa caratteristica della fisica – unitamente a una super-rete quantistica – si riveli un elemento universale di soluzione per la trasmissione sicura e la crittografia in rete.