L’internet quantistico

INSERTO

di Fiammetta Orione

L’internet quantistico

La meccanica quantistica può migliorare la rete sotto molti aspetti: sicurezza, rapidità di trasmissione, memoria di dati. Ecco perché la ricerca sta puntando verso questa nuova frontiera della comunicazione.

Talvolta lo vediamo comparire: è giovane, ha una felpa nera con un cappuccio calato sulla testa, non si vede il volto, forse un po’ il profilo, se non cela una maschera. Si muove silenziosamente, è un personaggio coraggioso al limite della spavalderia, è mosso da una insaziabile volontà di conoscere, di mettersi alla prova e di sfidare l’altrui abilità nel suo campo di azione preferito, l’informatica, con o senza permesso di farlo. Lo chiamiamo “hacker”.

Il vero pirata informatico è il cracker, non l'hacker.

È un appassionato di informatica, soprattutto degli aspetti tecnici che ci permettono di chattare, di vedere video, di leggere articoli o inviare e-mail. Un hacker non ha età, può essere giovanissimo come adulto e la sua esperienza se la costruisce da solo, nel silenzio della sua cameretta o di un’aula computer a scuola.

Non è da confondere con il “cracker”, che è il vero e proprio pirata informatico, il cui scopo non è conoscere e portare avanti la tecnologia, quanto danneggiare il sistema, per svariati motivi, tra le infinite sfumature che vanno dalla brama di potere all’odio ideologico.

Il MIT, la prestigiosa università americana
dove ha preso vita internet

Il primo computer

I primi hacker comparvero tra gli anni Cinquanta e Sessanta negli Stati Uniti, in una famosa università, il Massachusetts Institute of Technology (MIT), allorché venne reso disponibile, ad esclusiva disposizione dei professori, dei ricercatori e degli studenti prossimi alla laurea, il TX-0. È stato il primo computer che, mantenendo una memoria per l’epoca di tutto rispetto, poteva stare… in una stanza, invece che occupare l’intero piano di un edificio. Non era proprio portatile, ma sicuramente molto più avvicinabile dei suoi predecessori.

L’eccitazione degli studenti del Dipartimento di Elettronica era altissima e tutti volevano poterci “smanettare” un po’, esplorare le sue nuove potenzialità. Il calcolatore era di utilizzo esclusivo ma, visto l’entusiasmo, la Presidenza dell’Università concesse a tutti gli studenti meritevoli di poterne usufruire nelle ore in cui non venisse utilizzato dagli utenti ufficiali.

I giovani appassionati avevano così a disposizione le ore notturne, quelle non impegnate nelle complesse elaborazioni del calcolatore. C’era poco tempo a disposizione, tanto lavoro, in una sorta di gara tra di loro, a cui la curiosità non permetteva di sottrarsi.

Trenini e videogiochi

Tra gli studenti che si vollero misurare con il Tx-0, si distinsero i ragazzi che facevano parte del club di modellismo ferroviario, attivo nell’università. All’interno del loro club, come di ogni gruppo, vigeva un gergo proprio. Coniarono essi stessi il termine hacking per definire la loro attività di miglioramento dei circuiti elettrici, in grado di far circolare meglio i trenini.

L’hacker diventò così lo studente che si dedicava, per gioco creativo, passatempo e grandissima passione, a studiare e scoprire migliorie per il sistema, trenino o computer, su cui stava mettendo le mani.

Furono questi ragazzi ad inventare negli anni Sessanta il primo videogioco della storia, Spacewar! Un gioco molto semplice, agli occhi di oggi, che però rispecchia le caratteristiche del mondo hacker: grande competenza personale nello scrivere programmi informatici, passione, sete di divertimento, libertà di condivisione (oggi diremmo opensourcing, ovvero condivisione gratuita di ogni strumento informatico, programmi, codici, applicazioni), corsa all’innovazione.

Perché oggi “hacker” è sinonimo di terrorista informatico? A partire dagli anni Ottanta lo spirito originario, pionieristico, di questi appassionati informatici perse le regole di rispetto, di messa al bando di ogni comportamento informatico dannoso. Alcuni hacker cominciarono a scrivere e diffondere programmi dannosi (i virus!), violare i server militari e mandare in tilt quelli universitari.

Su quotidiani e riviste questa diffusione di comportamenti non raccomandabili, e distanti dallo spirito originario, vennero stigmatizzati fortemente, lasciando un’impronta quasi indelebile nell’opinione pubblica americana e, di riflesso, anche in quella europea. Questa nuova generazione di hacker venne definita “cracker”, colui che manda in pezzi.

Dal diffuso modem si può concepire
una rete a base quantistica

Si parte dal modem

Da allora passi avanti da gigante hanno guidato lo sviluppo dell’informatica e delle reti internet, progettate per connettere diversi computer tra loro e permettere condivisione di lavoro, di potenza, scambi di informazioni a tutti i livelli. I protagonisti di questo sviluppo sono stati scienziati, tecnici, semplici appassionati con alta competenza, come gli hacker della prima ora.

Le comunicazioni tra computer hanno utilizzato inizialmente le linee telefoniche preesistenti, le cui lacune sono state superate tecnicamente dalla scoperta delle fibre ottiche, migliorabili a loro volta da nuove possibilità che la luce laser può offrire, grazie alle proprietà specifiche delle sue componenti, i fotoni luminosi, descritte da quelle enigmatica parte della fisica chiamata “meccanica quantistica”. Ecco prendere forma nel nuovo millennio l’internet quantistico.

Stephanie Wehner, fisico teorico attualmente alla guida di un gruppo pionieristico sul progetto dell’internet quantistico, unica donna europea capo progetto in questa avventura, è nata al mondo informatico come hacker a 15 anni, in Germania. A quell’età si misurò con le capacità ed i limiti del suo primo modem analogico, da cui si svilupperà la sua curiosità sul come migliorare la trasmissione dei segnali informatici, da vero hacker.

Ma andiamo per ordine: che cosa è un modem, innanzitutto? Perché dallo studio di questo oggetto si può arrivare a concepire una rete internet a base quantistica? Il modem è un dispositivo elettronico, che converte i dati di un computer in impulsi telefonici.

Immaginiamo di voler scrivere una e-mail. Ogni lettera, ogni elemento del testo deve essere trasmesso integralmente ed un canale tradizionale di trasmissione può essere la linea telefonica, perché no? La linea telefonica è ben diffusa, ben organizzata, non abbiamo bisogno di preoccuparci di altro.

La linea telefonica trasmette segnali propri, elettrici, mentre il computer lavora con segnali elettronici. Il modem rende i segnali elettronici, quelli che il computer registra dalle nostre dita sulla tastiera, segnali elettrici, transitabili per il cavo telefonico.

Fibre ottiche e satelliti

Le fibre ottiche hanno migliorato
 le trasmissioni del Web.

Il modem è stato un aggeggio fondamentale sul palcoscenico di internet. Internet, infatti, è il nome che i suoi inventori diedero ad una serie di computer collegati tra di loro, in grado di scambiarsi dati, immagini, testi, video, in modo che si potesse disporre del materiale che il collaboratore avesse raccolto nell’ufficio accanto, al piano di sotto, a chilometri di distanza, in un altro continente, senza spostarsi dalla propria scrivania. Il collegamento dei terminali avveniva via cavo telefonico.

Oggi la linea telefonica è affiancata ad altre vie di collegamento tra terminali, quali fibre ottiche (la ADSL!) e trasmissioni satellitari. Le pecche con cui la linea telefonica può affliggere il segnale internet sono state notevolmente ridimensionate attraverso l’utilizzo di fibre ottiche, materiali migliori per trasmettere il segnale senza disperderlo troppo e con maggiore velocità.

Le fibre ottiche, come i cavi telefonici, hanno però bisogno di un supporto, devono essere inserite in tubi, insomma: diventa un problema in zone impervie, immaginatevi in montagna, da un continente all’altro con il mare in mezzo, nei deserti.

Le trasmissioni satellitari ci sono venute in aiuto per ovviare a questo problema. Anche le trasmissioni satellitari, però, presentano delle difficoltà, legate alla disponibilità di bande di trasmissione. Pensate ai canali radio che ci tengono compagnia al mattino, mentre andiamo a scuola. Non sono infiniti, sono distinti, e neanche tantissimi. Per le trasmissioni satellitari esistono dei canali determinati, le bande di trasmissione, comunque subordinati alle esigenze militari dei maggiori Paesi che possiedono i satelliti.

Espansione e sicurezza

Il collegamento internet ha bisogno di disponibilità sempre crescenti di espansione e di sicurezza. Nella storia informatica (ed umana) ogni problema rappresenta una sfida da superare, e chi meglio di un hacker puro può raccoglierla? Stephanie Wehner è uno di questi.

Durante i suoi studi universitari, Stephanie Wehner, attualmente scienziata presso l’università olandese di Delft, ha compreso come la meccanica quantistica può migliorare la comunicazione internet in termini di inviolabilità di comunicazioni ed estrema rapidità di trasmissione. La meccanica quantistica, infatti, prevede per esempio di poter collegare istantaneamente oggetti molto lontani tra loro, praticamente teletrasportare informazioni da un punto all’altro.

Le prime proposte relative alle modalità di comunicazione quantistica nel mondo informatico risalgono agli anni Settanta-Ottanta, quando Stephen Wiesner, un giovane fisico della Columbia University di New York, intuì il potenziale, applicabile al problema della sicurezza informatica, di uno dei principi basilari della meccanica quantistica, secondo cui è impossibile misurare una proprietà di un sistema senza cambiarlo.

Nel mondo macroscopico questo sembra ovvio: dopo aver misurato il peso della mia farina per torte sulla bilancia, sono certo di disporre di quella quantità e di quella stessa farina. Osservando più da vicino, mi posso però rendere conto di aver variato per esempio la consistenza della farina, per via dell’aria che si è insinuata tra un grano e l’altro, trasferendo la farina dal sacchetto al contenitore. La torta verrà bene ugualmente? Certo, nel mondo macroscopico.

Nel mondo infinitamente piccolo è un altro paio di maniche: lì gli effetti delle nostre azioni, invece di essere infinitamente piccoli, come tutto ciò che ci circonda, diventano infinitamente grandi, innescando quei processi affascinanti che fanno del mondo quantistico, l’infinitamente piccolo, una realtà nella Realtà.

Nel mondo dei quanti, dunque, se effettuo una modifica su un oggetto, quell’oggetto cambia radicalmente, non è più quello di prima. La modifica non può avvenire in modo nascosto, lascia traccia indelebile.

Le chiavi informatiche quantistiche sono password
fatte di lunghissime sequenze di numeri

Le chiavi quantistiche

Come può questa proprietà di invariabilità (“se ti misuro, te ne accorgi, si vede”) venire in aiuto per una migliore sicurezza informatica?

La sicurezza informatica è un caposaldo basilare del nostro utilizzo di internet. Non vogliamo sicuramente che i nostri segreti vengano svelati senza il nostro consenso, a livello personale come a livello bancario o militare. Se la nostra e-mail segretissima viene intercettata da un cracker, il malintenzionato effettua un’operazione sui ogni lettera, ogni segno ortografico (li copia, li legge, li modifica). In gergo si dice che “misura” la nostra e-mail.

Se i segnali elettronici che compongono la nostra e-mail venissero trasformati in segnali quantistici, il cracker non potrebbe toccare nulla, a meno di essere istantaneamente scoperto, per di più distruggendo istantaneamente il messaggio. Il “messaggio quantistico”, infatti, non solo mostra subito se un’attività viene effettuata ma, nell’istante in cui lo guardi, scompare, appunto perché cambia il suo stato, non rimane più quello di prima.

Negli anni Ottanta le intuizioni di Stephen Wiesner vennero approfondite da due ricercatori americani, Charles Bennett, della IBM, e da Gilles Brassard, ricercatore canadese di Montreal, ed insieme elaborarono un modo ingegnoso per rendere molto più sicure le trasmissioni internet, attraverso la formulazioni di “chiavi quantistiche”.

Seguendo la luce

Immaginate di fare un salto indietro nel tempo, e di dover trasmettere un vostro messaggio segretissimo in pieno Medio Evo. Inserirete il vostro foglio, scritto in codice (noi oggi diremmo “crittografato”) in una cassetta, chiuderete la cassetta con una chiave, che terrete voi. Il destinatario avrà una copia della stessa chiave. La cassetta arriverà a lui tramite un corriere normale (la rete tradizionale), e solo il destinatario potrà aprirla. Al destinatario la chiave arriverà per una strada diversa, attraverso un corriere formidabile (la rete predisposta a comunicazioni quantistiche). Se qualcuno avrà forzato la cassetta, o avrà anche solo provato a forzarla, il destinatario se ne accorgerà…

Le chiavi informatiche quantistiche funzionano più o meno così. Si presentano come delle sequenze (“stringhe”) di numeri, delle lunghe, lunghe password, e solo immettendo queste sequenze i file, i supporti dei messaggi che vengono scambiati (la carta del nostro messaggio medioevale), vengono resi comprensibili.

La sfida è riuscire a scrivere queste sequenze di numeri in modo che rispettino le leggi della meccanica quantistica più che quelle del mondo macroscopico. La sfida, cioè, è trovare il materiale e la tecnica di fusione adatti per la nostra chiave medioevale.

Un interessante “materiale”, molto comune, molto veloce, relativamente semplice da trasformare, è la luce. Le minuscole particelle che compongono la luce, i fotoni, seguono, una per una, le leggi della meccanica quantistica. Le sequenze di numeri che, nel linguaggio macchina di un computer, rappresentano immagini, testi, suoni, possono essere trasformate in sequenze luminose, utilizzando la luce laser, trasmissibile via fibra ottica o via satellite, fotone dopo fotone.

Oggi i dispositivi che possono generare queste chiavi (i dispositivi QKD, “Quantum Key Distribution”) sono disponibili in commercio per organizzazioni finanziarie o governative. Per esempio, nel 2001 la Svizzera ha investito in questa tecnologia per proteggere le informazioni elettorali.

I fotoni “entangled”

La meccanica quantistica, dunque, ci propone un modo per garantire la consapevolezza di una intrusione, ma come applicare la teoria alla realtà?

Una teoria quantistica che studia la sicurezza perfetta, quella che le chiavi dovrebbero avere per garantire la segretezza del contenuto dei nostri file, è quella che si propone di fornire le chiavi attraverso delle particelle di luce un po’ speciali: i fotoni “entangled”.

I fotoni entangled sono come due gemelli legatissimi e, nel mondo infinitamente piccolo, le relazioni diventano infinitamente grandi. I due gemelli sono così infinitamente in simbiosi: quel che succede ad uno, succede all’altro, in senso opposto. Facciamo ridere un gemello? L’altro, a migliaia di chilometri di distanza, piangerà. Facciamo ruotare un gemello su se stesso in senso orario? L’altro ruoterà su se stesso in senso antiorario.

Sfruttando questa proprietà, è molto semplice accorgersi del tentativo di manomissione delle chiavi: osservando un fotone entangled, possiamo capire cosa sta succedendo all’altro: non dimenticandoci mai che i fotoni viaggiano alla velocità della luce, 300.000 chilometri al secondo.

La Cina è all'avanguardia nello sviluppo
per la costruzione di una rete quantistica.

La rete cinese

La Cina è attualmente all’avanguardia nello sviluppo tecnologico necessario a costruire una rete quantistica, in cui i segnali luminosi possano essere composti e decifrati secondo le esigenze di cui abbiamo appena discusso: segretezza, rapidità, inviolabilità. Uno dei primi problemi da risolvere è individuare il supporto migliore per trasmettere questi segnali particolari.

Quando tentiamo di trasportare un oggetto in un tubo, pensate all’acqua o a noi stessi quando ci divertiamo sugli scivoli dei parchi acquatici, diventa essenziale che il tubo non si crepi, non si rompa. Così è anche quando vogliamo trasmettere segnali. Il problema della dispersione del segnale è sempre in agguato, soprattutto se pensiamo al cavo telefonico o alla fibra ottica.

La Cina detiene il record mondiale per il tracciato di fibra ottica più lungo al mondo, tra Pechino e Shanghai, circa 2.000 km. La Cina ha cominciato i suoi esperimenti con l’internet quantistico utilizzando questo lunghissimo cavo. Questa dorsale internet di fibra ottica attualmente è utilizzata per comunicazioni bancarie e commerciali, come per esempio il collegamento ai data center del gigante di shopping on line Alibaba, l’Amazon cinese. Per le frontiere senza frontiere di internet, 2.000 km di fibra ottica sono un buon inizio, sì, ma non basta.

Il satellite Micius

Le trasmissioni con chiavi quantistiche
si adattano bene ad essere trasmesse
via satellite.

Le trasmissioni con chiavi quantistiche si adattano molto bene ad essere trasmesse via satellite, così nel 2016 la Cina ha lanciato, nell’ambito di un progetto di ricerca sino-austriaco, il primo satellite sperimentale per supportare le “comunicazioni quantistiche”, il satellite Micius (dal nome latinizzato di un filosofo cinese, Mozi, vissuto tra il V e il IV secolo a.C.).

Micius è stato progettato in modo da connettere inizialmente quattro luoghi in Cina, uno in Tibet e uno in Austria. In seguito il satellite è riuscito a scambiare dati con l’intera rete di fibra ottica cinese, per poi riuscire a connettere la Cina con la stazione austriaca prescelta. Un grande risultato! Micius emette e riceve segnali laser che si possono vedere, dei raggi istantanei verdi, rossi se nell’atmosfera c’è più polvere del solito.

Nel 2018 Jian-Wei Pan, ricercatore della Università statale di Scienza e Tecnologia della città di Hefei, ha comunicato la buona riuscita di un esperimento di trasmissione quantistica dei segnali via satellite e cavo insieme.

Il professor Pan è stato insignito del titolo di “migliore scienziato dell’anno” nel 2017. I ricercatori cinesi hanno inviato delle immagini da Pechino a Vienna (7.600 km), intanto che il satellite ci passava sopra, codificando i singoli frammenti (“bit”) che le componevano secondo i principi delle chiavi quantistiche.

Un risultato ammirevole, anche nelle sue parti migliorabili, come lo studio della trasmissione laser con condizioni meteo avverse; i fotoni necessari per creare una chiave di cifratura possono essere assorbiti dall’atmosfera. Nel caso delle reti “terrestri” i fotoni possono essere assorbiti dalla fibra ottica, che rende impraticabile la trasmissione quantistica dopo diverse decine di chilometri. La dispersione del segnale, molto bassa, è pur sempre presente.

La possibilità di violare la chiave intrinseca del satellite, che permetterebbe di convogliare le trasmissioni altrove o di decifrare le chiavi con cui lavora, non è ancora resa bassa. Micius orbita poco lontano dall’atmosfera, per cui la comunicazione è meno raffinata che se potesse orbitare a maggiore distanza dalla Terra.

Gli esperimenti in Olanda

La prima rete quantistica europea è in fase di progettazione nei Paesi Bassi ed il progetto, guidato dalla nostra hacker Stephanie Wehner, dovrebbe concludersi l’anno prossimo. Questo esperimento è inserito in un progetto più ampio, su scala continentale, il Quantum Internet Alliance, e si avvale degli studi di scienziati informatici, ingegneri, esperti di sicurezza informatica.

Per il momento, il progetto europeo di Wehner è ancora in una fase iniziale e sta cercando finanziamenti pubblici e partner privati. Una sfida cruciale è convertire i fotoni laser visibili a quelli infrarossi, più affidabili, che possono viaggiare bene lungo le fibre ottiche.

In Olanda, capofila europea per questa fisica, è in costruzione un collegamento tra Delft e L’Aia, che sono a 10 km di distanza l’una dall’altra. Entro il 2020, i ricercatori sperano di aver collegato fino a quattro città olandesi, con una stazione in ciascun sito, come un ripetitore quantistico. In caso di successo, il progetto sarebbe la prima vera rete di teletrasporto quantistico al mondo.

Memorie più potenti

Nel mondo quantistico,
le unità di memoria dei computer
potrebbero duplicare la capacità.

La possibilità di incrementare notevolmente la sicurezza e la rapidità nelle trasmissioni informatiche non è l’unico vantaggio che le leggi della meccanica quantistica possono offrire al mondo informatico. La meccanica quantistica prevede che le particelle possano assumere più aspetti (tecnicamente si dice che si trovano in “sovrapposizione di stati”).

Immaginatevi di fotografare un vostro amico, che si è tinto i capelli da biondo a viola. Nella foto naturalmente lo vedrete ormai viola, il biondo sarà un pallido ricordo. Nel mondo quantistico il vostro amico avrebbe i capelli sia biondi sia viola, contemporaneamente, quindi, nella vostra foto, potrebbe comparire biondo, e nella seguente violaceo.

Se pensiamo a questa proprietà nel mondo informatico, ci rendiamo conto che le unità di memoria che fanno dei nostri dispositivi degli ormai insostituibili archivi, potrebbero come minimo duplicare la loro capacità, senza richiedere dispositivi più capaci. Questo succederebbe perché in una unità di memoria potrebbero risiedere contemporaneamente più informazioni, più file, più oggetti.

Un computer quantistico può memorizzare molte più informazioni di uno classico, sempre proteggendo il suo contenuto da violazioni. Può inoltre effettuare una enorme mole di calcoli allo stesso tempo, senza richiedere risorse informatiche esorbitanti.

Ci vogliono soldi

Su questo principio si basa il progetto di realizzazione di computer quantistici, che possano immagazzinare informazioni in quantità elevatissima, in modo ultra rapido e sicuro. Per ora i primi modelli sperimentali sfruttano il principio di sovrapposizione in minima parte, diciamo l’1-2% dell’auspicabile, ma giganti quali IBM, Google, Microsoft, Intel, oltre alle istituzioni governative statunitensi, russe, cinesi stanno investendo massicce risorse di ricerca.

Molteplici sono le sfide da affrontare per poterli realizzare e diffondere. I sistemi informatici quantistici sono, abbiamo visto, molto suscettibili: la minima interferenza può alterare le informazioni che il computer contiene. Il software necessario per controllare il sistema è di altissimo livello e solo pochi scienziati al mondo lo stanno sviluppando.

Gli investimenti economici non sono inferiori al miliardo di euro. L’Italia e l’Europa in genere sono purtroppo lontane dall’investire risorse di questo calibro, ma gli scienziati dell’Università di Padova, nel nostro Paese quelli più coinvolti nello sviluppo della tecnologia quantistica, ci assicurano che, nei prossimi dieci anni, ne vedremo di tutti i colori, anzi, di tutte… le luci!