All'interno della ricerca dell'Europa per costruire un Internet quantistico non hackerabile

Illustrazione concettuale di una serratura con fotoni entangled al suo interno, su uno sfondo di rete illustrato Mengxin Li

Il treno veloce da Parigi a Rotterdam era in ritardo di un'ora in partenza dalla Gare du Nord. Quando finalmente mi ha depositato nella città olandese, ho scoperto che il treno per Delft era stato sospeso a causa di lavori di manutenzione sui binari. Ci sono voluti due tortuosi viaggi in autobus e una corsa in taxi prima di arrivare finalmente a destinazione.

Dato che ero lì per conoscere il futuro delle comunicazioni, questo sembrava appropriato. Il mio viaggio mi ha ricordato che mentre la spedizione di persone da un posto all'altro è ancora irta di imprevisti, enormi quantità di dati fluiscono senza intoppi e rapidamente tutto il giorno, ogni giorno attraverso i cavi in ​​fibra ottica che collegano città, paesi e interi continenti.

Eppure queste reti di dati hanno un punto debole: possono essere hackerate. Tra i documenti segreti trapelati alcuni anni fa dall'appaltatore della National Security Agency degli Stati Uniti Edward Snowden c'erano quelli che mostravano che le agenzie di intelligence occidentali erano riuscite ad attingere ai cavi di comunicazione e a spiare la grande quantità di traffico che li attraversava.

L'istituto di ricerca che stavo visitando a Delft, QuTech , sta lavorando a un sistema che potrebbe rendere impossibile questo tipo di sorveglianza. L'idea è di sfruttare la meccanica quantistica per creare una rete di comunicazioni perfettamente sicura tra Delft e altre tre città nei Paesi Bassi entro la fine del 2020 (vedi mappa sotto per i collegamenti pianificati).

I ricercatori QuTech, guidati da Stephanie Wehner e Ronald Hanson, devono ancora affrontare una serie di sfide tecniche scoraggianti. Ma se avranno successo, il loro progetto potrebbe catalizzare un futuro Internet quantistico, più o meno allo stesso modo in cui Arpanet, creato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti alla fine degli anni '60, ha ispirato la creazione di Internet come lo conosciamo oggi.

distancecalculator.net / ms tech

Qubit inimitabili

Internet è vulnerabile al tipo di hacking rivelato da Snowden perché i dati viaggiano ancora su cavi sotto forma di bit classici, un flusso di impulsi elettrici o ottici che rappresentano uno sabbia 0 S. Un hacker che riesce ad attingere ai cavi può leggere e copiare quei bit in transito.

Le leggi della fisica quantistica, invece, consentono a una particella, ad esempio un atomo, un elettrone o (per trasmettere lungo cavi ottici) un fotone di luce, di occupare uno stato quantistico che rappresenta una combinazione di uno e 0 contemporaneamente. Tale particella è chiamata bit quantistico o qubit. Quando si tenta di osservare un qubit, il suo stato si riduce a entrambi uno o 0 . Questo, spiega Wehner, significa che se un hacker attinge a un flusso di qubit, l'intruso distrugge le informazioni quantistiche in quel flusso e lascia un chiaro segnale che è stato manomesso.

A causa di questa proprietà, i qubit sono stati utilizzati per un po' di tempo per generare chiavi di crittografia in un processo noto come distribuzione della chiave quantistica (QKD). Ciò comporta l'invio di dati in forma classica su una rete, mentre le chiavi necessarie per decrittografare i dati vengono trasmesse separatamente in uno stato quantistico.

La Cina ha dimostrato alcune applicazioni impressionanti di QKD. L'anno scorso, ha utilizzato un satellite chiamato Micius per trasmettere chiavi quantistiche a due stazioni di terra, una a Pechino e l'altra a Vienna. Le chiavi sono state quindi utilizzate per decrittare i dati classici per una videochiamata sicura tra le due città. Qualsiasi tentativo di intercettare la comunicazione contenente le chiavi le avrebbe distrutte, rendendo impossibile per le spie (o chiunque altro) decifrare la videochiamata. La Cina ha anche costruito una rete di comunicazioni QKD terrestre da Pechino a Shanghai che banche e altre società stanno utilizzando per trasmettere dati commerciali sensibili.

Tuttavia, l'approccio ha dei limiti. I fotoni possono essere assorbiti nell'atmosfera o dai materiali nei cavi, il che significa che in genere possono viaggiare per non più di poche decine di chilometri. La rete Pechino-Shanghai risolve questo problema disponendo di 32 cosiddetti nodi attendibili in vari punti, simili ai ripetitori che amplificano il segnale in un normale cavo dati. In questi nodi, le chiavi vengono decrittografate in forma classica e quindi ricrittografate in un nuovo stato quantistico per il loro viaggio verso il waypoint successivo. Ma questo significa che i nodi attendibili non dovrebbero davvero essere attendibili. Un hacker che viola la loro sicurezza potrebbe copiare le chiavi classiche senza essere rilevato, così come un'azienda o un governo che gestisce i nodi.

Teletrasporto quantistico

Wehner, Hanson e i loro colleghi di QuTech mirano a superare questi limiti per costruire un Internet quantistico completamente sicuro.

L'approccio che stanno usando si chiama teletrasporto quantistico. Può sembrare fantascienza, ma è un vero e proprio metodo di trasmissione dei dati. Si basa su un fenomeno noto come entanglement quantistico.

Entanglement significa creare una coppia di qubit - fotoni di luce, per questo scopo - in un unico stato quantistico, in modo che anche se si allontanano in direzioni opposte, mantengono una connessione quantistica. Cambiare lo stato di un fotone cambierà istantaneamente lo stato dell'altro in modo prevedibile, non importa quanto siano distanti. Albert Einstein ha chiamato questa azione spettrale a distanza.

Il teletrasporto quantistico, quindi, richiede prima l'invio di una coppia di fotoni entangled a due persone, chiamatele Alice e Bob. Alice riceve il suo fotone entangled e lo lascia interagire con un qubit di memoria che contiene i dati che vuole trasmettere a Bob. Questa interazione cambia lo stato del suo fotone e quindi cambia anche lo stato del fotone di Bob. In effetti, questo teletrasporta i dati nel qubit di memoria di Alice dal fotone di Alice a quello di Bob. L'illustrazione seguente illustra il processo in modo un po' più dettagliato.

Un altro modo di pensarci: la coppia intrecciata di fotoni è come le due estremità di un cavo dati virtuale, una tantum. Ogni volta che Alice e Bob vogliono inviare dati, ricevono prima un nuovo cavo e, poiché ognuno di loro ha un'estremità, solo loro possono usarlo. Questo è ciò che lo rende sicuro dalle intercettazioni.

ms tecnico

Esistono vari modi in pratica per creare qubit entangled. Hanson, che guida la parte hardware dell'iniziativa di QuTech, utilizza diamanti sintetici microscopici con un difetto deliberato noto come difetto di posto vacante di azoto. Questo difetto può essere manipolato utilizzando luce e microonde per emettere fotoni che possono essere inviati in luoghi distanti.

Portare questo in scala, tuttavia, è un'enorme sfida scientifica e ingegneristica, come Hanson riconosce prontamente. Possiamo provare a creare un entanglement a lunga distanza, ma la maggior parte delle volte fallisce, dice. Dato che i cavi in ​​fibra ottica a volte prendono percorsi rotondi, le distanze che i fotoni dovranno percorrere nel progetto QuTech saranno probabilmente più lunghe di quelle dirette mostrate sulla nostra mappa.

Tuttavia, ci sono stati progressi incoraggianti. Nel 2015, Hanson e un gruppo di altri ricercatori sono riusciti a intrappolare qubit a 1,3 chilometri (0,8 miglia) di distanza, ma la connessione poteva essere stabilita solo una volta all'ora ed è durata una frazione di secondo. Nel giugno di quest'anno, i ricercatori hanno annunciato di aver impigliato due elettroni a un paio di metri di distanza l'uno dall'altro 40 volte al secondo. Questo li ha resi i primi al mondo a dimostrarlo intreccio su richiesta è possibile.

Creatore di onde laser

Quell'esperimento ha avuto luogo in un laboratorio. Replicarlo nel mondo reale è un'altra questione. Gli ostacoli tecnici includono non solo accelerare l'entanglement e mantenerlo su distanze molto più lunghe, ma anche eseguire un delicato trucco fisico che utilizza impulsi laser per aumentare le lunghezze d'onda dei fotoni in modo che possano viaggiare più lontano su cavi in ​​fibra ottica.

Mentre Hanson è concentrato su queste sfide, Wehner ha guidato la progettazione di rete e l'innovazione software necessaria per trasformare in realtà il collegamento delle quattro città. Il software utilizzato per controllare le reti di comunicazione classiche non è in grado di far fronte a cose come l'entanglement, quindi Wehner ha lavorato a una nuova architettura che consentirà di controllare la nuova rete quantistica in modo efficiente e di creare applicazioni per essa.

In un recente hackathon organizzato da QuTech insieme al registro Internet regionale europeo, le applicazioni suggerite includevano voto sicuro, firme digitali e persino un servizio di chat quantistica.

Il team di QuTech sembra determinato a raggiungere l'obiettivo di completare la rete di quattro città entro la fine del 2020, anche se Wehner ammette che la scadenza è molto stretta. Ciò che apprenderanno informerà un progetto europeo lanciato di recente, la Quantum Internet Alliance (QIA). Wehner si sta coordinando l'alleanza , il cui obiettivo è costruire un Internet quantistico che consenta applicazioni di comunicazione quantistica tra due punti qualsiasi della Terra.

È ambizioso, per non dire altro. Sebbene i Paesi Bassi siano un utile banco di prova, le distanze tra le città sono piuttosto ridotte. È probabile che reti più grandi richiedano ripetitori quantistici. A differenza dei nodi fidati della rete cinese, che trasformano le informazioni quantistiche in forma classica e poi tornano indietro, questi ripetitori, o stazioni intermedie con processori quantistici, saranno necessari per estendere l'entanglement per migliaia di chilometri in modo che le reti rimangano impermeabili agli hacker.

Stephanie Wehner e Ronald Hanson Marieke de Lorjin | QuTech

Vari ricercatori, incluso un team di QuTech, stanno lavorando su questa idea, ma è ancora agli inizi. Ci sono molte belle teorie là fuori, dice Tracy Northup, una professoressa dell'Università di Innsbruck che è anche coinvolta nel QIA, ma non c'è ancora nemmeno una prova di principio in laboratorio.

Supponendo che un Internet quantistico diventi una realtà, solleverà importanti domande. Sarà disponibile per tutti o aziende e governi con tasche profonde utilizzeranno corsie quantistiche mentre altri saranno consegnati a quelli classici meno sicuri? E i governi inizieranno a insistere sul fatto che hanno bisogno di punti di accesso speciali nelle reti quantistiche, proprio mentre si agitano ora per le backdoor nel software e negli smartphone?

Se il team QuTech riesce a superare gli ostacoli tecnici che deve affrontare, faremo un grande passo avanti. E i ricercatori nei Paesi Bassi non sono gli unici da tenere d'occhio. La Cina sta preparando un piano per una rete di comunicazioni completamente quantistiche che collegherebbe la città di Zhuhai con Hong Kong. E con Micius e la loro rete terrestre esistente, i cinesi hanno dimostrato quanto velocemente possono avanzare. La corsa verso un Internet quantistico è davvero iniziata.

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