L’Internet del futuro prende forma con i quanti multidimensionali

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L'esperimento è stato eseguito all'Università dell’Aquila. Il risultato, frutto della collaborazione tra le Università di Firenze e dell’Aquila, l’Università tecnica della Danimarca (DTU), l’Istituto nazionale di ottica del Cnr e l’azienda italiana QTI
Lo schema della prima comunicazione quantistica (credit: nature.com)

Prima dimostrazione di comunicazione quantistica con stati multidimensionali su speciali fibre ottiche di ultima generazione, note come fibre multi-core. L’esperimento è stato eseguito all’Università dell’Aquila. Il risultato, frutto della collaborazione tra le Università di Firenze e dell’Aquila, l’Università tecnica della Danimarca (DTU), l’Istituto nazionale di ottica del Cnr e l’azienda italiana QTI – Quantum Telecommunications Italy, è stato ottenuto nel laboratorio di ottica e fotonica di Incipict, infrastruttura aquilana che costituisce l’unico asset mondiale di fibre di questo genere in ambiente urbano. Lo studio è pubblicato su Nature Communications con il titolo “Practical high-dimensional quantum key distribution protocol over deployed multicore fiber”.

L’Internet quantistico è una prospettiva rivoluzionaria nell’ambito delle telecomunicazioni: sfruttando la leggi della meccanica quantistica, garantisce la totale sicurezza ed efficienza nello scambio di informazioni. Tuttavia, le sfide tecniche e di scalabilità rendono l’implementazione su larga scala ancora un obiettivo da raggiungere.

Grazie al protocollo di Quantum Key Distribution (QKD), l´Internet quantistico garantisce la totale sicurezza nella trasmissione di dati, ed è visto con estremo interesse da un numero sempre maggiore di aziende. Per potersi affermare, però, deve migliorare la velocità di generazione delle chiavi crittografiche, attualmente inferiore rispetto a quella offerta dai sistemi di telecomunicazione tradizionali, soprattutto in fibra ottica.

Il gruppo di ricerca, operante nel laboratorio di ottica e fotonica Incipict presso l’Università dell’Aquila, ha messo a punto un metodo di comunicazione quantistica in grado di raddoppiare la velocità di generazione di chiavi crittografiche. La dimostrazione è stata resa possibile da stati multidimensionali presenti su speciali fibre ottiche di ultima generazione, note come fibre multi-core, installate all’Aquila.

«Attualmente – spiega Davide Bacco, docente di Fisica della materia all’Università di Firenze – i sistemi commerciali di QKD hanno una velocità di generazione di chiavi dell’ordine di poche migliaia di bit al secondo. Questo limita non solo l’utilizzo da parte degli utenti, ma anche la nascita di nuove possibili applicazioni legate a questa tecnologia. Potremmo paragonarli ai vecchi modem 56k, dove la navigazione internet era lenta e a volte snervante».

E subito dopo aggiunge: «Le attuali implementazioni della QKD, sia in ambito di ricerca che industriale, utilizzano come mezzo di informazione i qubit, il corrispettivo quantistico dei bit classici, che nonostante le proprietà quantistiche possono essere mappati solo in due valori: il bit 0 o il bit 1. Al contrario gli stati quantistici multidimensionali possono assumere valori in un intervallo molto più ampio, così da poter aumentare l’efficienza di creazione delle chiavi».

Al riguardo, Alessandro Zavatta, primo ricercatore del Cnr-Ino sottolinea: «È come passare da una visualizzazione in bianco e nero ad una a colori. La generazione, trasmissione e misura di questi stati multidimensionali non è ancora del tutto definita e presenta ancora delle sfide tecnologiche da risolvere».

L’esperimento è stato realizzato grazie alla speciale infrastruttura realizzata a L’Aquila nell’ambito del progetto Incipict durante i lavori di ricostruzione successivi al terremoto del 2009. La ricostruzione ha trasformato la città in una piattaforma aperta alla sperimentazione di nuove tecnologie, ed in questo contesto è stato possibile istallare per la prima volta al mondo speciali fibre ottiche di ultima generazione, note come fibre multi-core, realizzando una infrastruttura unica nel suo genere.

E sul ruolo delle fibre ottiche, Cristian Antonelli, docente di Campi elettromagnetici dell’Università dell´Aquila, spiega: «Una fibra ottica multi-core può ospitare più nuclei ottici con caratteristiche estremamente simili all’interno dello stesso mantello, il che riduce l’effetto delle perturbazioni esterne rispetto al caso in cui si utilizzino altrettante fibre ottiche tradizionali. Questo la rende il candidato ideale per la trasmissione di stati quantistici multidimensionali».

La ricerca mostra come questo nuovo metodo di generazione delle chiavi basato su stati quantistici multidimensionali – combinato ad una infrastruttura unica al mondo come quella aquilana – abbia consentito di migliorare la velocità di generazione di chiavi. Il tasso finale di trasmissione di chiave sicura è di 51.5 kbps su un canale di 52 km di lunghezza; un valore due volte maggiore rispetto a quello che si può ottenere nella stessa infrastruttura con un sistema tradizionale basato su qubit.

«La possibilità di incrementare il tasso di generazione di chiavi crittografiche ci permetterà – conclude Tommaso Occhipinti, Ceo di QTI, la prima azienda italiana di Quantum Key Distribution e partecipata da Telsy spa, centro di competenza per la crittografia e la cybersicurezza del Gruppo TIM – di allargare la platea di utenti commerciali in grado di fruire di questa tecnologia». (red.)

Vedi

www.cnr.it
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45876-x

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