Quantum Internet: siamo pronti?

Dai qubit all’entanglement, scopri cos’è la Quantum Internet e come rivoluzionerà sicurezza, calcolo distribuito e comunicazioni secondo l’esperto Claudio Cicconetti

L’internet quantistica promette una rivoluzione, ma quanto è vicina?

Come cambieranno le nostre comunicazioni, la sicurezza informatica e persino il modo in cui concepiamo le reti? L’Internet quantistica è la nuova frontiera che unisce informatica, fisica e telecomunicazioni in un sistema profondamente nuovo. Per capirne la portata, abbiamo intervistato Claudio Cicconetti, ricercatore del CNR e responsabile del laboratorio |Quantum).

Buongiorno, cominciamo dall'inizio. Per capire cosa sia l’Internet quantistica abbiamo bisogno di capirne le basi. Ci può dire in cosa si differenziano i qubit dai bit classici e perché questa differenza è così rilevante per il futuro delle reti?

A differenza dei bit classici, che possono essere 0 o 1, i qubit, unità fondamentale dei calcolatori quantistici, possono trovarsi in sovrapposizione tra questi stati. Possiamo immaginarla come una scala di grigi tra il bianco e il nero. I qubit hanno delle proprietà particolari: non possono essere letti liberamente come i bit classici, per farlo è necessaria una misurazione, un processo però che li altera irreversibilmente. Dopo la misurazione, infatti, il qubit perde la sua sovrapposizione e si comporta come un normale bit. Inoltre, a differenza dei bit classici, non è possibile clonare (copiare) un qubit di cui non si conosca lo stato.

Un altro elemento fondamentale per capire la Quantum Internet è l’entanglement (o intreccio quantistico), un fenomeno che consente di correlare due qubit anche a grande distanza: misurandone uno, lo stato dell’altro viene istantaneamente determinato. Questo fenomeno, che non ha analoghi nella fisica classica, è alla base della comunicazione quantistica.

Queste differenze hanno una rilevanza importante per il futuro delle reti. Le reti attuali, infatti, sono progettate per l’informazione classica, che può essere letta, copiata e ritrasmessa. I qubit, invece, sono fragili, non duplicabili e si trasmettono spesso tramite singoli fotoni.

Per questo motivo, la realizzazione di una Internet quantistica richiede un profondo ripensamento dell’intera pila protocollare, con nuove tecnologie, dispositivi e schemi di comunicazione in grado di rispettare e sfruttare le peculiarità dell’informazione quantistica.

Cos’è l’Internet quantistica e quali possibilità apre, in particolare nel calcolo distribuito?

Con il termine Internet quantistica si intende l’insieme di tecnologie e sistemi progettati per interconnettere calcolatori quantistici a livello globale, consentendo loro di interagire in modo nativo. A differenza dell’Internet classica, in cui la comunicazione si riduce al trasferimento di dati da un nodo A a un nodo B, l’Internet quantistica deve abilitare l’entanglement tra qubit remoti, permettendo nuove modalità di cooperazione tra sistemi quantistici distribuiti. Questa capacità apre la strada a un ampio ventaglio di applicazioni. Nel calcolo distribuito, per esempio, algoritmi troppo complessi per essere eseguiti su un singolo calcolatore quantistico possono essere suddivisi e distribuiti tra più nodi quantistici, anche ospitati in data centre geograficamente distanti. Per quanto riguarda la privacy, grazie a tecniche come il Blind Quantum Computing (BQC), un client può delegare l’esecuzione di operazioni a un server quantistico senza rivelare né i dati su cui sta lavorando né l’algoritmo impiegato.

Per avere una sincronizzazione ultra-precisa, utilizzando qubit entangled su lunghe distanze, è possibile realizzare protocolli di sincronizzazione degli orologi con una precisione superiore a quella ottenibile con metodi classici basati su segnali radio o GPS.

Un’altra possibile applicazione è il monitoraggio distribuito ad alta precisione, perché le reti quantistiche possono trasportare stati quantistici rilevati da sensori avanzati distribuiti sul territorio.

Quali sono le sfide principali che oggi impediscono la realizzazione della Quantum Internet, e quali sono le prime applicazioni già operative?

Le applicazioni quantistiche distribuite richiedono una rete quantistica in grado di creare entanglement tra qubit localizzati su calcolatori quantistici remoti. Sebbene la tecnologia attuale consenta già la codifica e trasmissione di stati quantistici mediante fotoni, rimangono due ostacoli fondamentali all’attuazione su larga scala di reti quantistiche. Il primo è la trasduzione tra fotoni e memorie quantistiche, ossia un sistema che permetta di convertire informazioni codificate in fotoni (particelle di luce) in stati quantistici immagazzinabili in dispositivi di memoria, e viceversa. Il secondo è la realizzazione di ripetitori quantistici, essenziali per estendere le reti oltre i collegamenti diretti. Ad oggi questi dispositivi sono ancora in fase sperimentale.

Nonostante ciò, una prima applicazione concreta delle reti quantistiche che non richiede entanglement tra i nodi esiste già: è la distribuzione quantistica delle chiavi (Quantum Key Distribution, QKD). Questo protocollo si basa sulla capacità di un nodo (tradizionalmente chiamato Alice) di preparare un qubit in un determinato stato e inviarlo a un secondo nodo (Bob), che lo misura. Attraverso questo semplice scambio è possibile generare una sequenza condivisa di bit classici, nota solo ad Alice e Bob, senza la necessità di informazioni precondivise.

La QKD sfrutta le leggi fondamentali della meccanica quantistica, in particolare il principio di non-clonazione. Un potenziale intercettatore (Eve) non può misurare i qubit in transito senza alterarne irrimediabilmente lo stato. Se Eve dovesse tentare di leggere i qubit destinati a Bob, introdurrebbe inevitabilmente errori rilevabili nella sequenza, permettendo ad Alice e Bob di identificare e scartare le chiavi compromesse. Questo garantisce un livello di sicurezza incondizionato, indipendente dalla potenza computazionale di un eventuale avversario. La QKD è considerata da molti il primo passo concreto verso la Quantum Internet, in quanto sfrutta elementi chiave come la preparazione, trasmissione e misura di qubit, e consente l’avvio della realizzazione di infrastrutture quantistiche che possano affiancare quelle classiche. Con il progresso delle tecnologie per la trasduzione e per la realizzazione di ripetitori quantistici, sarà possibile integrare nuovi dispositivi quantistici nella rete, abilitando applicazioni sempre più ambiziose.

In quest’ottica, un progetto pilota di IIT e CNR-INO, con il supporto di GARR, punta a realizzare un collegamento quantistico tra Pisa e Firenze per attività sperimentali, aprendo la strada a una rete quantistica nazionale.

Quanto è importante la cooperazione internazionale in questo ambito? Che ruolo può avere l’Italia?

Lo sviluppo di dispositivi, protocolli e applicazioni per le reti quantistiche del futuro richiede competenze profondamente interdisciplinari, che spaziano dalla fisica quantistica all’informatica, dall’ingegneria elettronica a quella delle telecomunicazioni e del software. A ciò si aggiunge il fatto che la comunità scientifica attiva in questo settore è ancora relativamente ristretta, il che rende la cooperazione internazionale un fattore essenziale per accelerare il progresso. Iniziative europee come la Quantum Internet Alliance, che mira a realizzare una rete quantistica prototipale con distribuzione di entanglement su scala metropolitana entro il 2029, e l’EuroQCI, che mira a creare un’infrastruttura di comunicazione quantistica sicura a livello europeo, rafforzano la leadership e la competitività dell’Europa nel settore.

In Italia, i fondi del programma NextGenerationEU hanno dato un impulso significativo al settore delle tecnologie quantistiche, sostenendo una serie di iniziative strategiche ancora in corso. Tra queste ricordiamo: la partnership estesa NQSTI (National Quantum Science and Technology Institute); il Centro Nazionale ICSC per la ricerca in High-Performance Computing, Big Data e Quantum Computing; la rete I-PHOQS (Integrated Infrastructure Initiative in Photonic and Quantum Sciences) e numerosi progetti afferenti ad altre piattaforme strategiche, come RESTART, SERICS e SoBigData.

Questi sforzi si inseriscono all’interno di una strategia nazionale più ampia, delineata dalle istituzioni italiane per rafforzare le capacità di ricerca, innovazione e trasferimento tecnologico nel campo delle tecnologie quantistiche, garantendo così che l’Italia possa competere su scala europea e globale. Il coordinamento tecnico-scientifico di queste attività è affidato a un gruppo di lavoro istituito dal Ministero dell’Università e della Ricerca, che ha recentemente avviato una consultazione pubblica sul primo documento di strategia italiana per le tecnologie quantistiche, contribuendo a definire una visione condivisa per lo sviluppo del settore nei prossimi anni.