Quantum Communication: i primi passi verso la Quantum Internet

Quantum Communication: i primi passi verso la Quantum Internet
 

Negli ultimi anni si è assistito ad uno sviluppo crescente delle tecnologie quantistiche, con una serie di innovazioni a livello sperimentale di portata tale da poter parlare di una nuova quantum revolution. Questa nuova fase cambierà il ruolo della meccanica quantistica, trasformandola da un dominio accessibile ad un ristretto numero di persone che si occupano di ricerca avanzata nel campo della fisica ad una tecnologia di uso comune.

Nell’arco di una o due decadi tutti avranno accesso a computer quantistici connessi ad una Internet quantistica, con i quali potranno lavorare utilizzando e sviluppando nuove applicazioni.

Ci troviamo quindi agli albori di una nuova era, in una fase simile a quella che ha visto la nascita di Internet.

La Quantum Internet sarà portatrice di nuove applicazioni, alcune delle quali al momento non ancora individuate poiché, come tutte le tecnologie rivoluzionarie, le sue reali potenzialità si riveleranno col suo progressivo utilizzo, abilitando quindi ulteriori applicazioni in aggiunta a quelle che già oggi si riesce a prevedere come possibili.

 

Introduzione

L’interesse verso le tecnologie quantistiche, nasce dal fatto che lo sviluppo tecnologico raggiunto, rende realistico il loro impiego in un contesto di servizio su un orizzonte temporale relativamente prossimo. Le attuali previsioni, che collocano la loro diffusione su larga scala in un periodo variabile tra i 5 – 10 anni a seconda della piattaforma/applicazione quantistica, potrebbero subire un’anticipazione considerando il livello di investimento e l’intensa attività di ricerca che sono state in grado di promuovere.
La competizione per la leadership tecnologia, che si è innescata a livello mondiale, è spinta soprattutto dai rischi per la security delle comunicazioni e dello storage dei dati, dal momento che queste tecnologie rendono facilmente violabili gli attuali sistemi di cifratura. Nello stesso tempo offrono anche nuovi strumenti per sviluppare soluzioni di security resistenti a queste stesse tecnologie; da qui discende l’interesse ad essere tra i primi a padroneggiarle.
Questa nuova fase della meccanica quantistica è stata definita quantum 2.0. La differenza principale rispetto al periodo in cui venne teorizzata (prime decadi del ‘900) risiede nella maturità tecnologica raggiunta, grazie alla quale è possibile controllare e manipolare le particelle subatomiche con un’elevata precisione, abilitando così lo sviluppo di nuove tecnologie/applicazioni quantistiche che si renderebbero disponibili su larga scala.
Nell’ambito delle tecnologie quantistiche si possono facilmente distinguere due principali aree che possono essere rispettivamente denominate quantum computing (per il processing e storage delle informazioni) e quantum commmunication (per i servizi di comunicazione).
Pur essendo entrambe le aree ancora nella stadio di ricerca nel campo della fisica, la maturità tecnologica della quantum communication è ad un livello più avanzato, essendo infatti già disponibili prodotti commerciali e installazioni di servizi “pseudo-commerciali”.
All’area della quantum communication afferisce l’infrastruttura di rete denominata Quantum Internet, che garantirà le connessioni e comunicazioni quantistiche.
Analogamente alla rete Internet, che costituisce un’infrastruttura globale per interconnettere end-nodes classici (e.g., laptops, smart phones, servers) e realizzare comunicazioni standard, la Quantum Internet costituirà l’infrastruttura globale per collegare i quantum end-nodes, abilitando nuove tipologie di servizi (quantum communication).
Continuando nell’analogia, nelle comunicazioni classiche le informazioni sono codificate in bit e trasmesse sulla rete Internet classica, mentre nelle comunicazioni quantistiche le informazioni sono codificate in qubit (quantum bit) e lo stato di questi qubit viene trasmesso sfruttando i principi fisici alla base del funzionamento della Quantum Internet.

 

Qubit e Quantum Computing

Il qubit o quantum bit è una grandezza logica che rappresenta l’unità di informazione quantistica, equivalente del bit, unità di informazione classica. I principi che sottendono l’implementazione del qubit, si basano su proprietà delle particelle subatomiche che variano tipicamente tra due livelli, a cui si fanno corrispondere i due valori logici 0 e 1 che sia il qubit che il bit, possono assumere. A differenza dei bit che possono assumere solo uno dei due valori possibili in maniera esclusiva (0 OR 1), i qubit possono trovarsi in uno stato di:
Superposition: in questo stato (Figura 1) il qubit assume entrambi i valori (0 AND 1) contemporaneamente, in una sovrapposizione che può non essere bilanciata, nella quale cioè la componente del valore 0 incida in maniera diversa rispetto alla componente del valore 1 nella determinazione dello stato del qubit. Lo stato di superposition è molto delicato e viene compromesso a causa di qualunque disturbo esterno (e.g. vibrazione, rumore) ma è fondamentale per ottenere lo speed-up di prestazioni dei computer quantistici.

 

Figura 1 Classical and Quantum Computing Il bit, unità di informazione classica, può assumere solo uno dei due possibili valori alla volta (0 OR 1) mentre i qubit, unità di informazione quantistica, possono assumere entrambi i valori (0 AND 1) contemporaneamente (superposition). Questo è uno dei principi della meccanica quantistica che consente ai computer quantistici di avere prestazioni esponenzialmente più elevate rispetto ai computer classici per alcune famiglie di problemi complessi

I computer quantistici per il processing e storage delle informazioni saranno gli end-node della Quantum Internet.
Questi processori operano sui qubit in una corrispondenza analoga a quella che lega computer classici e bit. La differenza rispetto a questi, risiede nel fatto che i primi sfruttano i principi della meccanica quantistica per utilizzare nuove modalità di processing delle informazioni.
In termini semplificativi, grazie alla superposition, un set di N qubit può essere configurato in uno stato in cui tutte le 2N combinazioni sono contemporaneamente presenti e di conseguenza processate in una forma di elaborazione “parallela”. Grazie a questa modalità di processing il computer quantistico risulta esponenzialmente più veloce nel trattare problemi complessi di natura combinatoria, rispetto ad un computer classico che invece opera in modalità seriale, scansionando cioè tutto il set di 2N combinazioni e utilizzandone solo una ad ogni ciclo elaborativo.

 

Principi della meccanica quantistica alla base della Quantum Internet

Il funzionamento della Quantum Internet si basa su alcuni principi della meccanica quantistica,  tra i quali lo stato di Superposition già descritto, che costituiscono il fattore differenziante rispetto all’Internet “classica” [1][4]:
Measurement: l’operazione di misura, che si effettua per esempio per una lettura,modifica irreversibilmente lo stato di un qubit, facendogli perdere lo stato di superposition e forzandolo ad assumere uno dei due stati (0 o 1) estremi (collapsing), che manterrà in qualunque misura successiva, rendendolo di fatto uguale ad un bit. L’effetto della misura può essere sfruttato per sviluppare soluzioni di security, per rilevare se l’informazione trasmessa è stata intercettata e quindi letta da un intruso.
No-Cloning Theorem: per evitare di alterare lo stato del qubit con un’operazione di misura, si potrebbe pensare di effettuarne una copia senza leggerne lo stato. Il no-cloning theorem sancisce l’impossibilità di creare una copia identica di uno stato quantico ignoto.
I due principi di measurement e no-cloning theorem impediscono pertanto di ricorrere agli stessi meccanismi che si utilizzano nelle reti classiche per amplificare e rigenerare il segnale, dal momento che tutti si basano sulla possibilità di effettuare una lettura e/o copia accurata dell’informazione trasmessa (qubit). Fenomeni come attenuazione e rumore introdotti dal canale trasmissivo andranno quindi fronteggiati in maniera diversa con le reti quantistiche.
Entanglement: due oggetti/particelle in entanglement si trovano in una relazione di correlazione così stretta che la misura di uno dei due influenza lo stato dell’altro indipendentemente dalla distanza che li separa. In tale condizione lo stato quantico di ogni oggetto/particella non può essere definito individualmente, ma solo in relazione agli altri oggetti con cui condivide lo stato di entanglement. L’entanglement si genera attraverso un’interazione tra due oggetti vicini, ma una volta creato, lo stato si mantiene anche se gli oggetti vengono separati da grandi distanze. [1][2]

 

L’Entanglement nelle comunicazioni quantistiche

Nel campo delle reti quantistiche, l’entanglement si contestualizza nella correlazione che si instaura tra due qubit. Così come rappresentato nella Figura 2, la coppia di qubit (denominata EPR pair – Einsten-Podolsky-Rosen ) si trova in uno stato di “superposision”, in cui le due configurazioni possibili (entrambi i qubit a 0 o entrambi i qubit a 1) sono equamente probabili. Misurando ogni qubit in forma indipendentemente, il risultato che si ottiene da ognuno può essere 0 o 1  in maniera equiprobabile, ma i due qubit agiscono in maniera coordinata, perché lo stato di entanglement iniziale li forza ad assumere lo stesso valore (entrambi a 0 o a 1).

 

Figura 2 - Entanglement tra due qubit (EPR pair) Misurando uno dei due qubit, si ottiene come risultato 0 o 1 in maniera equiprobabile; istantaneamente e indipendentemente dalla distanza che li separa, lo stato del secondo qubit cambia concordemente alla relazione di entanglement iniziale (entrambi qubit a 0 o entrambi a 1) (Fonte: [1])

Esistono altre configurazioni di entanglement (e.g. i due qubit hanno valori opposti), nelle quali esiste lo stesso tipo di coordinazione tra qubit, per cui nel momento in cui se ne misura uno, istantaneamente il suo “gemello” assume un valore inequivocabile che deriva dalla relazione di entanglement di partenza.
Più in generale l’entanglement può essere anche realizzato su gruppi costituiti da più di due qubit (multipartite entanglement).
L’entanglement ha due caratteristiche interessanti per lo sviluppo di nuove applicazioni di una rete quantum:

  • instaura relazioni di correlazione più strette di quelle classiche, abilitando applicazioni che si basano sul coordinamento di più entità
  • non può essere condiviso, nel senso che un qubit diverso da quelli in entanglement non può inserirsi in questa relazione. Quindi l’entanglement permette di realizzare delle connessioni “private” e inaccessibili ad entità esterne.
 

Quantum Internet

La Quantum Internet costituirà l’infrastruttura per trasmettere i qubit e condividere il loro stato tra gli end-nodes quantistici (quantum computers ecc…).
Per parlare di rete quantistica non è sufficiente che sia costituita da nodi quantum che comunicano in modalità classica, ma è necessario che i nodi si scambino qubits e distribuiscano stati di entanglement tra di loro.
E’ bene sottolineare come alla base dello sviluppo della Quantum Internet non ci sia l’obiettivo di sostituire, migliorare o surclassare l’Internet classica. Al contrario, la Quantum Internet opererà in sinergia con la rete esistente, andando a costituire una rete Internet ibrida, “classica” e “quantistica”. In questa nuova rete ibrida la quantum Internet interverrà per supportare nuove funzionalità che consentiranno di migliorare/arricchire le comunicazioni e applicazioni “classiche”.[3]Le nuove applicazioni “quantistiche” a loro volta, per poter funzionare, si appoggeranno alle comunicazioni classiche della rete Internet.[Figura 3]
L’architettura delle reti quantistiche rifletterà quella delle reti classiche, in quanto sarà costituita da elementi che avranno ruoli analoghi ai loro corrispondenti classici, sebbene funzioneranno basandosi sui principi della meccanica quantistica: nodi sede di processori quantistici, switch e router quantistici oltre ai mezzi trasmissivi.
La Quantum Internet sarà il risultato di un grosso sviluppo, che inizialmente partirà con la realizzazione di reti quantistiche “locali”, che collegheranno pochi nodi e con connessioni a basse velocità; queste isole iniziali verranno progressivamente espanse e connesse fino ad arrivare a costituire una rete globale, la Quantum Internet.

 

Figura 3 - Hybrid Internet The quantum Internet will operate in synergy with the classical Internet

E’ presumibile che, in questo scenario di sviluppo, i primi gestori e/o utilizzatori delle reti quantistiche saranno gli enti governativi, i centri accademici, i telecom providers, i fornitori del mondo high tech, gli istituti finanziari, i settori militare e dell’intelligence.
La fase commerciale si aprirà successivamente, con il rilascio “massivo” di servizi per la Quantum Communication economicamente accessibili.
La soluzione al momento più realistica per la trasmissione dei qubit (i cosidetti “flying” qubit per distinguerli dai “matter qubit” residenti negli end-nodes quantum e utilizzati per processare o memorizzare informazioni), consiste nell’utilizzo dei fotoni, in virtù di una serie di ragioni:

  • hanno proprietà (e.g. polarizzazione, posizione ecc…) i cui stati possono essere utilizzati per codificare facilmente dei qubit
  • interagiscono debolmente con l’ambiente, cosa che li rende maggiormente immuni ai disturbi e quindi “robusti” nel mantenere lo stato quantistico che trasportano
  • sono facilmente controllabili e possono essere trasmessi per esempio su fibra, utilizzando la tecnologia ottica di cui esiste già un’ampia e consolidata esperienza
  • hanno velocità di trasmissione elevate

In aggiunta a tutto ciò, occorre considerare il vantaggio di permettere il riutilizzo dell’infrastruttura in fibra ottica esistente, salvaguardandone gli investimenti.[1][2]
In questo scenario occorre considerare che le distanze su cui può avvenire efficacemente la trasmissione  dell’informazione quantistica tramite fotoni sono limitate: alcune decine di km per trasmissione su fibra e poche migliaia di km in free space (via satellite).
Questo perché il “quantum” di informazione trasportato da un “flying photon” non può essere amplificato o rigenerato a causa dei principi di quantum measurement e no-cloning theorem. Pertanto al crescere della distanza percorsa, si accumulano gli effetti di attenuazione e rumore, tipici dei canali trasmissivi, sul fotone aumentando il rischio che venga smarrito o corrotto e di conseguenza che si perda l’informazione quantistica che veicola.
Una prima soluzione per ovviare al problema, consiste nel sezionare le distanze lunghe in tratte più brevi, sulle quali i fotoni possono essere trasmessi e ricevuti in maniera sufficientemente affidabile. Questi vari segmenti componenti sono attestati ai cosiddetti “trusted node”, nodi nei quali l’informazione da trasmettere viene estratta dai fotoni ricevuti e ricodificata nei fotoni che verranno inviati al nodo successivo lungo il cammino che collega i due end-nodes. Una rete costituita da “trusted nodes” non può definirsi propriamente quantum, perché l’informazione trasmessa è classica e viene protetta a livello quantistico solo sui link trasmissivi, mentre nei “trusted node” questi dati sono decodificati e disponibili “in chiaro”. La security dell’informazione si basa sul fatto che, se il nodo è “trusted”, a livello ambientale sono state applicate una serie di misure atte a prevenire che soggetti non “autorizzati” entrino in possesso delle informazioni.
La trasmissione basata su “trusted node”, è quella momento realizzabile su una rete live, per trasportare l’informazione quantistica su lunghe distanze.
La soluzione che permetterà di superare i limiti di massima distanza trasmissiva e che renderà effettivamente “quantistiche” le reti, è la “Quantum Teleportation”, tecnologia che si sta attualmente sperimentando in laboratorio.(Figura 4)
Con la “Quantum Teleportation” l’informazione quantistica non viene trasmessa “fisicamente” sui mezzi trasmissivi, ma veicolata attraverso l’entanglement. Per ogni comunicazione origine – destinazione si stabilisce una corrispondente relazione end-to-end di entanglement. L’entanglement viene realizzato utilizzando fotoni, su cui i nodi effettuano operazioni (creazione, trasmissione, ricezione, interazione reciproca, misura) finalizzate a renderlo disponibile come funzionalità e risorsa in rete per il trasporto delle informazioni quantistiche. I fotoni utilizzati per instaurare l’entanglement sono trasmessi sui mezzi trasmissivi, subendone quindi attenuazione e rumore. Una volta stabilita, la connessione end-to-end di entanglement costituirà il substrato su cui l’informazione quantistica verrà trasportata senza interazione “fisica” con i mezzi trasmissivi.

 

Figura 4 - Quantum Teleportation Un qubit “informativo” dallo stato ignoto |ψ〉è trasportato da nodo origine a destinazione, senza una trasmissione “fisica” (Fonte:[1])

Con la “Quantum Teleportation”, i limiti di massima distanza trasmissiva anziché interessare direttamente l’informazione quantistica, intervengono sui fotoni impiegati per realizzare l’entanglement. 
Per estendere l’entanglement su lunghe distanze, si stanno studiando soluzioni di suddivisione in tratte più brevi, criterio analogo all’impiego dei “Trusted Node” visti in precedenza. Più nello specifico, gli spezzoni di entanglement delle tratte brevi vengono raccordati iterativamente prolungando progressivamente l’entanglement fino a comporre l’intero cammino tra origine e destinazione. La giunzione tra i segmenti di entanglement di due tratte contigue avviene attraverso un’operazione di entanglement swapping. Questa funzionalità sarà implementata sui futuri “Quantum Repeater”, che costituiranno i nodi di sezionamenti e consentirà l’estensione a livello geografico della Quantum Internet. In questo modo l’informazione quantistica verrà trasferita end-to-end senza effettuare le operazioni di decodifica e ricodifica in ogni “Quantum Repeater”, come se fosse un livello protocollare superiore all’entanglement. La tecnologia dei “Quantum Repeater” è ancora una tecnologia in fase di ricerca.

 

Applicazioni

Alcune peculiarità della meccanica quantistica sono già state evidenziate lasciando intravvedere come le loro proprietà possano essere sfruttate per arricchire e migliorare gli attuali servizi o crearne di nuovi.
Diverse applicazioni della futura Quantum Internet sono già in fase di studio e, focalizzandosi al settore delle telecomunicazioni, possono essere classificate secondo alcune macrocategorie [5]:

a) Secured communication
Gli attuali sistemi di protezione delle comunicazioni e dei dati utilizzano protocolli crittografici, la cui robustezza deriva dalla difficoltà di risoluzione del problema matematico, che costituisce l’algoritmo alla base del loro funzionamento: tra questi si può citare il problema della fattorizzazione dei numeri interi e il problema logaritmico discreto a curve ellittiche. Si tratta dei cosiddetti sistemi di cifratura a chiave pubblica, che un computer quantistico, utilizzando l’algoritmo di Shor (1994), può risolvere in tempi esponenzialmente più veloci se confrontati anche con quelli del più potente,  ad oggi, supercomputer classico.
Per dare una misura della gravità del rischio, è bene evidenziare che, sulla base del trend attuale di miglioramento della tecnologia, si presume che computer quantistici con capacità di calcolo sufficienti per violare gli attuali sistemi di sicurezza, saranno disponibili non prima di 10 anni. Anche se la previsione non dovesse subire anticipazioni, non bisogna ignorare la possibilità di attacchi di tipo “Harvest Now - Decrypt Later", che consistono nel salvare informazioni che continueranno ad essere importanti in futuro, in attesa dei quantum computer capaci di decifrarle.
La soluzione ad eventuali attacchi da parte di hackers, consiste nello sviluppare nuovi sistemi di protezione, che, a seconda della strategia che perseguono, possono essere suddivisi in due aree:

Quantum cryptography: le comunicazioni classiche sono rese “sicure” utilizzando chiavi di cifratura scambiate tra sorgente e destinazione attraverso un canale quantistico parallelo. Sfruttando opportunamente i principi della meccanica quantistica, i tentativi di intercettazione delle chiavi possono essere rilevati e di conseguenza viene interrotto il loro scambio fino al ripristino delle condizioni di sicurezza. L’applicazione più conosciuta e consolidata di quantum cryptography è la quantum key distribution (QKD) per trasmissione delle chiave crittografiche, generate in forma totalmente casuale tramite quantum random number generator (QRNG).
Post-quantum cryptography: termine col quale ci si riferisce a sistemi di cifratura che si basano su algoritmi “sicuri” rispetto ad attacchi da parte di computer quantistici. Proprio per questo si usa anche parlare di classical post-quantum cryptography.
Nella stessa categoria delle secured communication ricadono anche il secured identification e position verification, applicazioni per autenticare i soggetti partecipanti di una comunicazione.

b) Fast coordination/negotiation
Le funzionalità della Quantum Internet possono essere utili nei problemi che richiedono il coordinamento dell’azione di una flotta di entità (e.g. computer, robots…) o l’elezione di un loro leader, per evitare interferenze nel processo decisionale e convergere rapidamente verso una posizione condivisa.

c) Clock timing and synchronization
La quantum clock synchronization è un‘altra area di applicazione per aumentare l’accuratezza delle applicazioni che si basano sulla sincronizzazione del timing su oggetti distribuiti (per esempio GPS…)

d) Distributed quantum computing
Per salvaguardare lo stato di superposition, necessario per l’elaborazione “parallela”, i qubit devono essere mantenuti in un ambiente protetto (possibilmente isolati e ad una temperatura prossima allo 0 assoluto). Garantire questa condizione, allo stato attuale della tecnologia, risulta più difficile al crescere del numero di qubit equipaggiati; questo limita il trend di espansione della potenza di calcolo dei computer quantistici.
Se questa difficoltà dovesse persistere in futuro, una delle prime applicazioni della Quantum Internet potrebbe essere il distributed quantum computing. Così facendo, si costituirebbero cluster di computer quantistici, la cui potenza di calcolo complessiva sarebbe superiore a quella delle singole macchine: la potenza di calcolo dei cluster scalerebbe in funzione del numero di computer quantistici “fisici” che la quantum internet sarebbe in grado di interconnettere. [1]

e) Secure quantum computing with privacy protection
Quest’area di applicazione si riferisce ai servizi di quantum computing in cloud in cui si mantiene la riservatezza dei dati sorgente (private/blind comoputing) per salvaguardare la natura dell’elaborazione e/o la privacy delle informazioni.
Tutte le potenzialità della Quantum Internet saranno totalmente sfruttabili una volta che si raggiungerà il pieno sviluppo delle sue funzionalità ed in particolare l’entanglement sarà disponibile a livello globale e massivo in un contesto commerciale.
Nel frattempo le prime applicazioni si riescono già a realizzare in un contesto di produzione per offrire servizi commerciali. Tra queste rientrano la QKD e la QRNG così come alcuni use case che, in continuità con quanto illustrato finora, verranno descritti nel dettaglio nell’articolo successivo di questo stesso Notiziario (“Quantum Communication in pratica: tecnologie e applicazioni“).

 

Bibliografia

[1] Cacciapuoti, A. S., Caleffi, M., Cataliotti, F. S., Gherardini, S., Tafuri, F., & Bianchi, G. (s.d.). Tratto da Arxiv: https://arxiv.org/pdf/1810.08421.pdf

[2] Cacciapuoti, A. S., Caleffi, M., Tafuri, F., Cataliotti, F. S., Gherardini, S., & Bianchi, G. (s.d.). Tratto da http://www.quantuminternet.it/files/pub/TechPaper.pdf

[3] Dirkse, B. (2019, 10 22). Tratto da https://blog.qutech.nl/index.php/2019/10/22/quantum-internet-at-the-verge-of-an-emerging-technology/#more-1230

[4] Kozlowski, W., Wehner, S., Van Meter, R., & Rijsman, B. (s.d.). Tratto da https://github.com/Wojtek242/draft-irtf-qirg-principles/blob/master/draft-irtf-qirg-principles-03.txt

[5] Vermaas, P., Nas, D., Vandersypen, L., Coronas, D. E., Asveld, L., Cramer, J., et al. (2019, June). Tratto da https://qutech.nl/quantum-internet-magazine/