SCIENZA E RICERCA

Comunicazioni quantistiche per una navigazione satellitare sicura

Attivare il Gps e lanciare Google Maps per trovare la via smarrita è un’operazione banale che facciamo quasi quotidianamente. Alla base del suo corretto funzionamento c’è però un’infrastruttura costituita da più di trenta satelliti che viaggiano a circa 20000 chilometri dalla superficie terrestre e che scambiano segnali radio tra loro e con dedicati dispositivi a terra.

Il Gps è un esempio di Sistema satellitare globale di navigazione (Gnss, dall’inglese Global navigation satellite system), sviluppato dal governo degli Usa per scopi militari a partire dagli anni ‘70 del secolo scorso e reso accessibile a scopi civili solo venti anni dopo.

L’importanza strategica di poter controllare un sistema Gnss è dimostrata dal fatto che costellazione americana non è la sola, essendo stata affiancata nel corso degli anni dalla russa Glonass, l’europea Galileo, e la cinese BeiDou tra le altre, tutte in costante sviluppo per fornire una migliore accuratezza nella geo-localizzazione e ulteriori servizi come la distribuzione e la sincronizzazione del tempo legale, usato per esempio per regolare il traffico aereo del pianeta. Risulta chiaro quindi perché questi sistemi satellitari non possano prescindere dalla capacità di scambiare segnali in maniera sicura.

Tipicamente i segnali radio scambiati sono quindi criptati, sfruttando tecniche standard di crittografia "classica", che al momento rappresenta lo strumento più sicuro per garantire l'ila loro sicurezza. Tuttavia, questa tecnica si rivelerà completamente vulnerabile con l'avvento del computer quantistico, al cui sviluppo stanno lavorando compagnie quali Microsoft, Google e Ibm.

Esiste già però una tecnologia più avanzata, basata sulla trasmissione di segnali ottici (cioè impulsi di luce) e non più radio, che risulta inviolabile anche ai computer quantistici, e che sfrutta a sua volta le leggi quantomeccaniche della Natura: la distribuzione quantistica di chiavi crittografiche (Qkd, dall'inglese Quantum key distribution). Lo sviluppo della Qkd ha suscitato negli ultimi anni un notevole interesse da parte della comunità scientifica globale (si veda per esempio la recentissima copertina di Nature), ricevendo importanti finanziamenti sia dal settore privato che da quello pubblico, come dimostrato dall'avvio della Quantum Flagship, un'iniziativa europea che investirà un miliardo di euro nei prossimi dieci anni per sviluppare queste nuove tecnologie.

Considerando quindi il più elevato livello di sicurezza permesso dalla Qkd e le recenti dimostrazioni della sua fattibilità tecnologica anche in link tra satelliti e terminali a terra (si veda questa volta una recente copertina di Science), i responsabili dello sviluppo dei sistemi Gnss stanno considerando seriamente l'utilizzo di questa tecnologia per mettere in sicurezza le comunicazioni intra-satellitari all'interno della costellazione e tra i satelliti e le stazioni a terra.

La collaborazione tra QuantumFuture, il gruppo di Ricerca dell'Università degli Studi di Padova, presso il dipartimento di ingegneria dell'informazione e coordinato dal Prof. Paolo Villoresi, e l'osservatorio Matera laser ranging observatory (Mlro) dell'Agenzia spaziale italiana (Asi) situato a Matera e diretto dal Dr. Giuseppe Bianco, ha realizzato pionieristiche ricerche sulle comunicazioni quantistiche e della Qkd, tra satelliti e stazioni terrestri.

Nell'articolo, pubblicato il 20 dicembre 2018 nella rivista Quantum Science and Technology dell'Institute of Physics inglese a prima firma Luca Calderaro, questa collaborazione ha dimostrato, per la prima volta, la fattibilità delle comunicazioni quantistiche tra un satellite Gnss e una stazione a terra, realizzando lo scambio di pochi fotoni per impulso tra due satelliti diversi della costellazione Glonass e Mlro. Stimando le perdite a cui va incontro il debole segnale quantistico lungo il canale satellitare, sono state determinate le caratteristiche di un trasmettitore Qkd adatto per sistemi Gnss e di un ricevitore a terra dedicato, attestando la fattibilità della Qkd anche in tale scenario.

Questo risultato estende il record delle comunicazioni quantistiche a una distanza di 20000 chilometri e rende più vicino l'utilizzo della Qkd per mettere in sicurezza le costellazioni Gnss.

Inoltre, l'accesso a orbite così alte, fornirà anche una risorsa per nuovi esperimenti fondamentali di fisica nello spazio, come già realizzato dall'Accademia della Scienza Cinese con satelliti in orbita terrestre bassa (Leo).

L'importanza strategica e l'impegno dell'Asi nello sviluppare queste nuove tecnologie sono attestati non solo dal contributo in prima persona del Dr. Bianco, coautore dell'articolo, ma anche della componente tecnologica della società e-Geos, partecipata da Asi, e che vede tra gli autori la responsabile presso il centro, Dr. Vincenza Luceri.

La recente dimostrazione si aggiunge ai precedenti risultati portati a segno dalla collaborazione, a partire dal primo scambio di singoli fotoni tra un satellite in orbita Leo (1500km) nel 2008; la trasmissione di bit quantistici codificati in polarizzazione nel 2015 e tempo nel 2016; l'estensione del canale quantistico a satelliti in orbita media (7000km); la realizzazione nel 2017 di un esperimento fondamentale sul dualismo onda-particella della luce nello spazio, e la collaborazione tra Asi-Unipd e il team di ricerca cinese iniziata quest’anno.

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