L'utilità dei computer quantistici è un argomento molto dibattuto, da coloro che pensano che sia ciarlataneria ad altri che dicono che è il futuro dell'informatica. Indipendentemente da ciò, gli scienziati stanno investendo miliardi di dollari per la ricerca per dimostrare usi commerciali, come un Internet quantistico a prova di hacker. ⁃ TN Editor
Til suo treno veloce da Parigi a Rotterdam era in ritardo di un'ora lasciando la Gare du Nord. Quando alla fine mi ha depositato nella città olandese, ho scoperto che il treno successivo per Delft era stato sospeso a causa di lavori di manutenzione sui binari. Ci sono voluti due viaggi in autobus tortuosi e un 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 le spedizioni di persone da un luogo all'altro sono ancora irte di problemi imprevisti, quantità gigantesche di dati scorrono senza intoppi e rapidamente per 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 statunitense Edward Snowden c'erano quelli che dimostrano che le agenzie di intelligence occidentali erano riuscite a attingere ai cavi di comunicazione e spiare le enormi quantità di traffico che scorre attraverso di loro.
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 comunicazione perfettamente sicura tra Delft e altre tre città nei Paesi Bassi entro la fine di 2020 (vedere la 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 ci riusciranno, il loro progetto potrebbe catalizzare una futura Internet quantistica, più o meno allo stesso modo in cui Arpanet, che il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti ha creato alla fine degli 1960, ha ispirato la creazione di Internet come la conosciamo oggi.
Qubit inimitabili
Internet è vulnerabile al tipo di pirateria informatica rivelato da Snowden perché i dati viaggiano ancora attraverso i cavi sotto forma di bit classici, un flusso di impulsi elettrici o ottici che rappresentano 1s e 0S. Un hacker che riesce a collegare i cavi può leggere e copiare quei bit in transito.
Le leggi della fisica quantistica, d'altra parte, consentono a una particella, ad esempio un atomo, un elettrone o (per la trasmissione lungo cavi ottici) un fotone di luce, di occupare uno stato quantistico che rappresenta una combinazione di 1 e 0 contemporaneamente. Tale particella è chiamata bit quantico o qubit. Quando si tenta di osservare un qubit, il suo stato "collassa" in entrambi 1 or 0. Questo, spiega Wehner, significa che se un hacker attinge a un flusso di qubit, l'intruso distrugge entrambe le informazioni quantistiche in quel flusso e lascia un chiaro segnale che è stato manomesso.
Grazie a questa proprietà, i qubit sono stati usati per un po 'di tempo per generare chiavi di crittografia in un processo noto come distribuzione quantistica delle chiavi (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 quantico.
La Cina ha dimostrato alcune applicazioni impressionanti di QKD. L'anno scorso, ha utilizzato un satellite chiamato Micius trasmettere chiavi quantistiche a due stazioni di terra, una a Pechino e l'altra a Vienna. I tasti sono stati quindi utilizzati per decrittografare i dati classici per una videochiamata sicura tra le due città. Qualsiasi tentativo di intercettare la comunicazione contenente i tasti li avrebbe distrutti, rendendo impossibile per le spie (o chiunque altro) di decifrare la videochiamata. La Cina ha anche costruito una rete di comunicazioni terrestri QKD da Pechino a Shanghai che le banche e le altre società utilizzano 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 alcune decine di chilometri. La rete Pechino-Shanghai aggira questo problema avendo 32 i cosiddetti "nodi fidati" in vari punti lungo di essa, simile ai ripetitori che amplificano il segnale in un normale cavo dati. In questi nodi, le chiavi vengono decodificate in forma classica e quindi nuovamente crittografate in un nuovo stato quantico per il loro viaggio verso il waypoint successivo. Ma questo significa che i nodi fidati non dovrebbero essere considerati affidabili. Un hacker che viola la loro sicurezza potrebbe copiare le chiavi classiche inosservate, 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 quantico completamente sicuro.
L'approccio che stanno usando è chiamato 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 singolo stato quantico, in modo che anche se viaggiano in direzioni opposte, mantengono una connessione quantica. Cambiare lo stato di un fotone cambierà istantaneamente lo stato dell'altro in modo prevedibile, non importa quanto distanti. Albert Einstein ha definito questa "azione spettrale a distanza".
Il teletrasporto quantistico, quindi, richiede prima di inviare una coppia di fotoni aggrovigliati a due persone: chiamale Alice e Bob. Alice riceve il suo fotone aggrovigliato e lascia che interagisca 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 pensarla: la coppia di fotoni entangled sono 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.
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