Grovigli di luce

Le possibili applicazioni commerciali delle reti quantistiche.

Negli ultimi anni il fisico austriaco Anton Zeilinger è riuscito a far rimbalzare dei fotoni «aggrovigliati» sui satelliti in orbita e a rendere possibile l’esistenza di molecole da sessanta atomi di fullerene in sovrapposizione quantistica, in pratica una sorta di nuvola costituita da tutte le possibili posizioni e stati energetici nello spazio-tempo locale. Ora lo scienziato spera di tentare la stessa «acrobazia» con batteri centinaia di volte più grandi. Nel frattempo, Hans Mooij dell’Università Tecnologica di Delft, nei Paesi Bassi, e Seth Lloyd, direttore del Centro per la teoria dell’informazione quantistica estrema presso il MIT, hanno creato degli stati quantistici (che si verificano quando le particelle o i sistemi di particelle vengono sovrapposizionati) su scale assai superiori al livello quantistico costruendo un anello superconduttore, visibile a occhio nudo, su cui viaggia una supercorrente costituita da elettroni che circolano simultaneamente in senso orario e antiorario, fungendo così da circuito computazionale quantistico. Il fisico Richard Feynman propose il concetto di computer quantistico nel 1981 per sfruttare il potenziale computazionale di atomi, fotoni e particelle elementari. Al giorno d’oggi, è un settore progredito al punto che non solo i ricercatori sono in grado di intervenire sulla fisica per ottenere effetti sperimentali senza precedenti, ma esistono già le prime proposte di applicazioni commerciali.

Ma, prima che tecnologie come le telecomunicazioni, il calcolo e la metrologia quantistici possano concretizzare tutto il loro potenziale – due delle possibilità più interessanti sono una Internet quantistica e una moneta quantistica impossibile da falsificare – le reti quantistiche devono poter trasmettere e memorizzare i dati. Il gruppo di ottica quantistica del California Institute of Technology sta lavorando proprio per questo obiettivo. Il team è guidato da H. Jeff Kimble, titolare della cattedra di fisica Valentine, lo stesso che nel 1998 è riuscito a teletrasportare in modo del tutto non ambiguo lo stato quantistico di un singolo fotone, ossia le informazioni riguardante il suo spin, l’energia e così via, verso un altro fotone. Ora Kimble e i suoi collaboratori hanno dimostrato un modo per creare in una rete una situazione di aggrovigliamento, vale a dire la relazione nonlocale che consente il teletrasporto quantistico, che uno scettico Einstein aveva accantonato come «fantasmatica azione a distanza».

Proprio come il moto degli elettroni nei circuiti dei microprocessori trasmette i dati all’interno degli attuali computer, il teletrasporto di stati quantistici tra particelle aggrovigliate servirebbe per svolgere una analoga funzione all’interno delle reti quantistiche. Per quanto invece riguarda l’archiviazione dei dati, riferisce Kyung Soo Choi, uno dei ricercatori della squadra di Kimble, una delle fondamentali questioni risolte in uno dei loro recenti esperimenti è «come convertire la luce catturata in un groviglio di materia e da lì di nuovo in luce?» Gli stati di aggrovigliamento sono molto fragili e le reti di luce aggrovigliata necessiteranno di dispositivi ripetitori, proprio come le reti in fibra ottica a lunga distanza richiedono dei ripetitori optoelettronici per rigenerare segnali compromessi dall’attenuazione. Di conseguenza anche il groviglio dovrà essere generato e immagazzinato in sottosistemi discreti integrati nell’ambito di una rete quantistica più estesa. Kimble e la sua squadra sembrano ora aver escogitato una soluzione tecnica a questo problema.

La squadra al lavoro al Caltech utilizza due raggruppamenti di atomi di cesio il cui stato quantistico era stato alterato da un raggio laser che li rendeva trasparenti o opachi in funzione delle esigenze di manipolazione della velocità dei fotoni in arrivo. In seguito i ricercatori hanno «splittato» i singoli fotoni ponendoli in sovrapposizione – cioè in modo che fossero parte di una stessa funzione d’onda quantistica e, di conseguenza, «aggrovigliati» – facendo inoltre sì che potessero propagarsi lungo due tracciati separati all’interno dei due raggruppamenti di atomi di cesio. Come spiega Choi, «abbiamo quindi ridotto la velocità della luce fino a farla arrestare all’interno della materia disattivando il laser di controllo che serviva a rendere trasparente i raggruppamenti di cesio, per cui l’informazione quantistica – la luce aggrovigliata – era in pratica immagazzinata in questi raggruppamenti. Riattivando il raggio laser, abbiamo quindi determinato una riaccelerazione dei fotoni fino alla loro velocità normale, ripristinando i raggi di luce aggrovigliata». Finora gli scienziati del Caltech sono riusciti a mantenere il groviglio di luce all’interno della materia per lassi di tempo di un microsecondo. Kimble ritiene di poter estendere questa finestra temporale fino ai dieci microsecondi.

Kimble possiede i tipici tratti del gentiluomo texano, come ho avuto modo di apprezzare quando il coordinatore del suo laboratorio è riuscito a riservarmi una fetta di 15 minuti del suo tempo dopo due settimane trascorse dal fisico in un viaggio che l’ha portato a presentare il suo lavoro in quattro diverse conferenze su due continenti. Quei quindici minuti si sono trasformati in un corso sugli ultimi progressi registrati nelle tecniche che servono a verificare e quantificare i grovigli di luce. Le misurazioni sono il problema fondamentale nella meccanica quantistica, poiché ogni particella o sistema esiste in un determinato stato quantistico solo fino al momento in cui un altro sistema che, si tratti di una molecola d’aria passeggera o di un sistema più complesso come un osservatore umano, ottiene una informazione su questo stato e ne determina l’immediato collasso. Abbiamo a che fare con una materia quanto mai astrusa. Oltre a discutere di metrologia quantistica, Kimble fa una dichiarazione facilmente intuibile: «La base tecnica della nostra società è lo scambio commerciale di informazione. Nei prossimi 20 anni, la scienza dell’informazione quantistica – l’informatica e la meccanica quantistica fuse insieme in una disciplina che 20 anni fa non esisteva neppure – trasformerà radicalmente questo scambio».

La rivoluzionaria tecnologia che fa parte della visione di Kimble comporta l’esistenza di estese reti quantistiche somiglianti a Internet ma basate sull’aggrovigliamento. Quali sono i vantaggi intrinseci allo sviluppo e all’adozione di questo tipo di reti?

Vantaggi molto sostanziali. Reti quantistiche sono già state realizzate su piccola scala. Nel 2004, il primo sistema crittografico quantistico permanente del mondo è stato attivato a Cambridge, Massachusetts, e collega Harvard, l’Università di Boston e BBN Technologies (noto in precedenza come Bolt Beranek and Newman, il nome dell’azienda che era stata incaricata dalla DARPA, l’Agenzia della Difesa USA, della realizzazione della rete ARPAnet). Oggi id Quantique, una azienda elvetica, e l’americana MagiQ Technologies, offrono moduli commerciali che utilizzano la fibra ottica per trasmettere chiavi crittografiche quantistiche sottoforma di fotoni codificati come bit digitali attraverso il controllo della loro polarità, su distanze che possono raggiungere un massimo di cento chilometri. Chi tentasse di intercettare queste particelle di luce perturberebbe il loro stato e denuncerebbe il suo tentativo di manipolazione, per cui un sistema di crittografia quantistica dà una assoluta garanzia di sicurezza.

Le promesse dell’informatica quantistica hanno inoltre fornito il primo impulso alle ricerche in materia di reti quantistiche. Se sarà possibile fare dell’informatica quantistica seria (finora le sperimentazioni hanno impiegato un massimo di sette qubits, le cifre binarie quantistiche), c’è la possibilità di superare l’informatica classica sotto aspetti molto significativi. Scott Aaronson, esperto di complessità computazionale del MIT, cita per esempio l’algoritmo pubblicato nel 1994 dal matematico Peter Shor come l’intuizione che ha dimostrato la potenziale capacità dell’informatica quantistica di fattorizzare numeri molto grandi in un ragionevole lasso di tempo computazionale. Considerando che tale compito è rimasto sino a oggi fuori dalla portata dei normali computer, il grosso delle applicazioni di crittografia a chiave pubblica si è finora basato proprio sulla fattorizzazione di numeri molto grandi. Come afferma Aaronson, «ecco perché la National Security Agency è così interessata all’informatica quantistica». La crittografia quantistica, invece, assicurerebbe un elevato grado di sicurezza delle informazioni sia a livello di compromissione della codifica quantistica, sia sul terreno della criptoanalisi convenzionale.

Oltre a garantire la sicurezza dei dati, le reti geografiche di ripetitori quantistici (QWAN) che Kimble ha in mente sarebbero caratterizzate da un minor grado di esposizione agli attuali problemi di latenza delle reti attuali, sarebbero anzi praticamente istantanee come è reso possibile dalla velocità della luce. E, infine, il parallelismo di tipo esponenziale che costituisce il vero punto di forza del calcolo quantistico – due qubit o particelle aggrovigliate possono assumere quattro valori diversi, quattro qubit sedici e così via – si applicherebbe anche alle reti di dispositivi quantistici. Secondo Kimble «anche se esisterà sempre un limite alle dimensioni massime raggiungibili nello spazio degli stati, sarà comunque possibile oltrepassare questo limite collegando le singole unità a formare una rete completamente quantistica». Lo «spazio degli stati» di un computer quantistico è rappresentato dall’intera gamma di potenziali stati che il computer può assumere. Quando viene eseguito un algoritmo quantistico, questo processo computazionale collassa lo spazio degli stati e riduce il loro possibile numero a un singolo stato: la risposta giusta a un determinato problema. Con una rete di computer quantistici, sta dicendo Kimble, la potenza computazionale esponenziale di ciascun dispositivo si troverebbe a essere moltiplicata esponenzialmente.

Seth Lloyd, del MIT, ha fatto qualche ragionamento sulle opzioni progettuali di una rete quantistica. «Le reti basate su raggruppamenti di atomi di cesio sono una delle tecnologie più promettenti per il trasporto di informazioni quantistiche su lunghe distanze», dice. Malgrado questo, si tratta di un approccio relativamente ingombrante e, all’aumentare delle dimensioni del sistema quantistico, più complessi diventano i calcoli. Lloyd aggiunge che «approcci basati sull’impiego di circuiti, come gli anelli superconduttori, risultano più scalabili all’interno di uno spazio ridotto e potenzialmente possono supportare un maggior numero di qubits per singola scheda circuitale». Sistemi di questo tipo sono tuttavia meno adatti alle comunicazioni. «Con Kimble abbiamo lavorato su concetti basati sull’uso di singoli atomi al posto dei raggruppamenti e su singoli ioni e trappole ioniche, e questa potrebbe essere una tecnologia quantistica davvero scalabile». Uno scenario plausibile, secondo Lloyd, sembrerebbe essere quello di utilizzare i raggruppamenti per le comunicazioni e dispositivi quantistici più localizzati, scalabili, come gli anelli superconduttori o le trappole ioniche, per il calcolo.

Le argomentazioni di Kimble a favore della fattibilità delle rete quantistiche sembrano dunque ragionevoli. E i vantaggi anticipati – sicurezza informativa assoluta, nessuna latenza, e l’ulteriore margine esponenziale in termini di potenza computazionale – non sarebbero certo trascurabili nel mondo dello scambio di informazioni.

Alcune applicazioni commerciali della tecnologia dell’informatica quantistica sono abbastanza evidenti. Gli agenti di borsa sono ormai abituati a servirsi di programmi di compravendita titoli computerizzata chiamati anche HFT (high frequency traders, sistemi di trading ad alta frequenza). Ci sono giornate in cui questi programmi generano più della metà dei volumi di scambio della Borsa di New York. Le principali società di intermediazione hanno speso milioni di dollari per sviluppare gli algoritmi che analizzano i dati di mercato e realizzano enormi volumi di transazioni basate su strategie che nella maggior parte dei casi sono solo sofisticate varianti sul tema dell’acquisto effettuato pochi microsecondi dopo l’arrivo di determinate informazioni vendendo qualche microsecondo dopo, a spese di altri agenti di cambio che non sono stati capaci di ottenere gli stessi dati o di cedere i titoli con altrettanta rapidità. I dealer di contratti future, che utilizzeranno reti quantistiche quasi istantantanee, saranno chiaramente avvantaggiati sugli altri.

Sono possibili anche altre applicazioni commerciali. Scott Aaronson ne ha suggerita una in una pubblicazione intitolata Protezione anti-copia quantistica e denaro quantistico. Nell’articolo lo scienziato osservava che gli stati quantistici non possono essere ricopiati perché qualsiasi procedimento di misura li distruggerebbe, cosa che «fa nascere l’ipotesi di utilizzare gli stati quantistici come informazione non clonabile». Sfruttare questa possibilità richiederebbe di riuscire ad aggirare l’ostacolo di uno stato quantistico che collassa quando viene misurato e a generare in primo luogo (nel caso del denaro quantistico) degli stati quantistici la cui autenticità fosse verificabile e, in secondo luogo (nel caso della protezione anti-copia), degli stati non clonabili che consentano in ogni caso di utilizzare il software protetto, sia esso un DVD, un CD e così via. Aaronson ha dimostrato che almeno un tipo di denaro quantistico pubblicamente verificabile e due schemi di protezione anti-copia basati su principi quantistici sono teoricamente fattibili, in quanto offrono per la prima volta la possibilità di avere una moneta assolutamente immune da contraffazioni e una tutela dei diritti d’autore del tutto inviolabile.

Il denaro di prima generazione era emerso con l’invenzione delle monete nella Lidia di tremila anni fa, la sua seconda generazione con le note di cambio cartacee emesse dalle banche dell’Italia del Rinascimento e la terza con la moneta elettronica e l’economia virtuale dell’era moderna. Se scienziati come Kimble e Aaronson hanno ragione, presto le reti quantistiche potrebbero determinare la nascita di una ulteriore generazione di denaro.

Descrizione foto: due nodi di una rete quantistica che i ricercatori del Caltech hanno generato arrestando la corsa di fotoni aggrovigliati all’interno di due raggruppamenti di atomi di cesio ospitati in un sistema a vuoto ultraelevato. La temporanea memorizzazione dei dati in tali grovigli offre lo spunto di un possibile sistema di archiviazione quantistico, che potrebbe tornare molto utile in diverse applicazioni, inclusa la crittografia quantistica.

Autore: Mark Williams / Fonte: technologyreview.it