Uno degli esperimenti all'interno del laboratorio del gruppo di ricerca QuantumFuture. Foto: Massimo Pistore

Uno o zero, il bit: nel linguaggio digitale l’unità fondamentale di calcolo e di comunicazione, il ristrettissimo ma efficace alfabeto – due sole cifre – attraverso il quale operano computer, cellulari, cd... Fino ad ora perlomeno. All’orizzonte infatti si profila il quantum-bit o qubit, in cui la comunicazione avviene attraverso la lettura degli stati quantistici di singoli fotoni. Impulsi molto deboli di luce al posto di quelli elettrici: una partita importante che fa gola a molti, in cui anche la ricerca italiana sta giocando il suo ruolo; viene infatti pubblicato oggi sulla rivista Physical Review Letters lo studio Experimental satellite quantum communications, condotto da un team coordinato dall’università di Padova, che apre sul tema prospettive molto interessanti. 

Il lavoro è il risultato di cinque anni di ricerche, integralmente condotte da ricercatori italiani e portate avanti dal dipartimento di Ingegneria dell'informazione (DEI) dell’università di Padova e dal centro di Geodesia spaziale di Matera, finanziate prevalentemente nell'ambito del progetto strategico di ateneo QuantumFuture. Studi che già l’anno scorso avevano suscitato l’attenzione del NewScientist e della rivista online del Mit di Boston. 

Trasferire correttamente gli stati quantici e il loro contenuto di informazione è l’essenza della nuova linea di ricerca. In questo modo si usa la meccanica quantistica, che descrive il mondo microscopico, per trasferire informazioni. “Questi studi rispondono alla richiesta sempre crescente della società di scambiare informazioni in modo sicuro, soprattutto a seguito dei massicci attacchi alla privacy degli ultimi anni”, spiega Paolo Villoresi, docente di fisica sperimentale all’università di Padova e coordinatore del gruppo di ricerca. Un’esigenza per cui l’informazione quantistica può essere la soluzione: “I metodi utilizzati finora basano la loro sicurezza su complessi algoritmi matematici – spiega Villoresi –. In questo modo però sia il trasmettitore che il ricevente del messaggio devono essere già in possesso della chiave che permetta loro di codificare i messaggi e di decifrarli. La crittografia quantistica è invece l’unica tecnica che consente di scambiare una chiave crittografica sicura e privata a distanza, senza la necessità di accesso fisico al trasmettitore o al ricevitore”.

Questo può rivestire una grande importanza, per esempio, nelle comunicazioni spaziali, dove non è così facile portare in orbita una chiavetta Usb. “L’interesse però è rappresentato non solo dalla segretezza dell’informazione, ma anche dalla sua autenticità – continua lo studioso –. Si pensi ad esempio al nuovo sistema europeo satellitare di posizionamento satellitare globale Galileo, che presto estenderà le possibilità che ora sono offerte dal Global Positioning System (Gps) americano. Oppure, in un ambito completamente diverso, alle operazioni finanziarie, nelle quali è essenziale certificare l’istante esatto in cui avvengono”. 

Per realizzare questa innovativa tecnica di comunicazione è necessario riuscire a trasmettere a grandi distanze singoli fotoni portati prima a un determinato stato quantistico. Finora i dispositivi commerciali che sfruttavano queste proprietà erano disponibili solo per collegamenti limitati (fino ai 200 chilometri) ed erano basati su fibra ottica; l’esperimento italiano è invece riuscito a effettuare una trasmissione di circa 1.700 chilometri, per la prima volta lungo un canale tra lo spazio e la Terra. Per l’esperimento sono stati utilizzati alcuni dei satelliti dedicati allo studio della geodesia terrestre, dotati di particolari retro-riflettori (corner cube), tramite i quali sono state simulate le funzioni di un trasmettitore quantistico in orbita. In questo modo il gruppo di ricerca è riuscito a ricreare una sorgente quantistica nello spazio, pur non essendo disponibile in orbita un satellite equipaggiato con un trasmettitore o ricevitore quantistico. 

I primi risultati per il momento sono promettenti, tanto che il 23 giugno verranno anche ulteriormente illustrati in una conferenza stampa dell’Agenzia spaziale italiana, l’Asi, (con cui la collaborazione dura dal 2003). Presto, assieme all’Asi e all’Esa (European space agency), dovrebbe essere presentata anche una road map per lo sviluppo delle comunicazioni quantistiche come settore strategico. Intanto sull’argomento si riscontra un forte interesse soprattutto negli Stati Uniti, in particolare da parte del dipartimento di Stato: dal 2013 infatti il tema della comunicazione quantistica fa parte degli accordi bilaterali Italia-Usa per la collaborazione scientifica. Lo scorso 12 giugno, nella nostra ambasciata a Washington, c’è stato il primo incontro bilaterale con molti ricercatori e decision-makers, che hanno tutti riconosciuto la valenza della collaborazione paritaria. 

Daniele Mont D’Arpizio