quantistica

Negli ultimi anni il governo cinese ha puntato molto sullo sviluppo della tecnologia quantistica, che sta assumendo sempre più rilevanza per le sue potenzialità. Gli scienziati cinesi hanno raggiunto nuovi record nell’ambito della crittografia, della comunicazione e della computazione quantistiche, registrando, inoltre, progressi nell’imaging, nel rilevamento (sensing), nella metrologia (scienza delle misurazioni) e nella navigazione quantistiche, oltre che nella tecnologia radar quantistica.

Le numerose scoperte fatte dai ricercatori cinesi si inseriscono in progetti di lungo termine chehanno permesso di formare tecnici altamente specializzati.

Già nel novembre 2015, al quinto Plenum del XVIII Congresso del Partito, il presidente Xi Jinping, riconoscendone la fondamentale importanza strategica, ha incluso le comunicazioni quantistiche nella lista dei principali progetti scientifici e tecnologici ritenuti prioritari per importanti scoperte da realizzare entro il 2030. Due anni prima venne per la prima volta registrato dalla società di ricerca Patinformatics il sorpasso cinese rispetto agli Stati Uniti per numero di brevetti rilasciati nell’ambito di applicazioni di computazione quantistica: 74 brevetti cinesi contro i 71 statunitensi. Nel 2017 questo divario numerico si è notevolmente accentuato, con 553 applicazioni brevettate in Cina, contro le sole 307 negli Stati Uniti, sempre secondo i dati forniti da Patinformatics.

Il governo cineseha infatti devoluto finanziamenti quasi illimitati a questi progetti di ricerca, fra i qualiassume di particolare importanza il piano da 10 miliardi di yuan (1,6 miliardi di dollari) per la costruzione del Laboratorio Nazionale di Scienza dell’Informazione Quantistica (安徽省量子科学产业发展基金) a Hefei, provincia di Anhui, la cui apertura è previstaper il 2020. Questa cifra appare straordinariamente elevata, sopratutto se messa a confronto con i 200 milioni di dollari che, secondo un rapporto governativo datato Luglio 2016, sono stati stanziati dall’amministrazione Usa per la ricerca nella meccanica quantistica.

Ma cosa rende questa tecnologia così importante da essere posta al centro non solo della ricerca cinese e americana, ma addirittura della geopolitica mondiale?

La scienza quantistica sfrutta le strane e controintuitive proprietà della fisica quantistica. Una volta realizzate e impiegate su vasta scala, le tecnologie risultanti potrebbero stabilire nuovi paradigmi in quasi tutti i contesti in cui le informazioni sono utilizzate, archiviate, raccolte o elaborate, fornendo strumenti molto più potenti per la sicurezza informatica, il calcolo e la misurazione.

Queste tecnologie, soprattutto le tecniche dicrittazione quantistica, avranno anche una serie di applicazioni e implicazioni per la sicurezza nazionale e la difesa.

Tutte le tecnologie sviluppate in questo campo sono basate sulle proprietà fondamentali dei fenomeni quantistici. Il concetto di “superposition” (sovrapposizione degli effetti) si riferisce alla proprietà di un sistema quantistico (ad es. una particella subatomica, come un fotone) di esistere attraverso tutti i possibili stati fisici contemporaneamente. Un’altra proprietà fondamentale, l’”entanglement”, implica il collegamento tra due o più particelle tale per cui il loro stato sia strettamente correlato (lo stato di un sistema entangled non è esprimibile come derivante dai singoli stati delle particelle). Pertanto, l’osservazione di una particella appartenente ad una coppia entangled farà “collassare” il sistema quantistico, provocando una decoerenza e il ritorno del sistema ad uno stato classico (non quantistico), determinando automaticamente e immediatamente il valore dello stato dell’altra particella.

Questa proprietà è alla base dei sistemi che rendono fisicamente impossibile decifrare una comunicazione a crittazione quantistica per tre ragioni principali: in primo luogo, il teorema della “non-clonazione” afferma che uno stato quantistico sconosciuto non può essere clonato. A livello teorico, i messaggi crittografati attraverso tecniche quantistiche sono ad uno stato quantistico sconosciuto, quindi impossibili da copiare. Secondo, in un sistema quantistico a 2 livelli,che può assumere uno dei due stati possibili, qualsiasi tentativo nel misurare lo stato quantistico farebbe collassare il sistema come spiegato precedentemente. Un messaggio quantistico che venisse intercettato e letto risulterebbe incomprensibile e inutile.

Terzo, gli effetti prodotti dalla misurazione di una proprietà quantistica sono irreversibili, ciò vuol dire che l’intercettatore non può ripristinare un messaggio quantistico al suo stato originale. La comunicazione risulta quindi sicura: nulla può alterare il fatto che l’osservazione di una proprietà quantistica alteri irreversibilmente l’oggetto osservato.

Il sistema più utilizzato per questi tipi di crittazioni è basato sulla creazione di una chiave quantistica “distribuita” (quantum key distribution, QKD), in base al quale le chiavi crittate sono scambiate per mezzo distati quantistici entangled. Questo meccanismo sicuro per lo scambio di chiavi è utilizzabile per crittografare comunicazioni compiute tramite tecniche classiche, come l’utilizzo di QKD attraverso dispositivi collegati con cavi in fibra ottica. Questo tipo di comunicazione, però, presenta limiti nella distanza percorribile per comunicare, mentre quelle compiute nello spazio aereo, ad esempio tra una stazione a terra e un satellite, possono consentire di percorrere distanze molto maggiori. Per questo motivo nell’Agosto del 2016 è stato lanciato dalla Cina il primo satellite per le comunicazioni quantistiche denominato Mencio (Mozi, 墨子) in onore di uno dei massimi filosofi cinesi del periodo classico. Grazie al satellite, il 29 settembre 2017 si è potuta realizzare la prima videoconferenza a crittazione quantistica intercontinentale tra l’Accademia Cinese di Scienza e l’Accademia di Scienza Austriaca dell’Università di Vienna, separate da una distanza di 7600 km, e durata 75 minuti. Attraverso Mencio è stato possibile scambiare QKD usate per crittare la videoconferenza che è stata eseguita attraverso una normale connessione internet.  Nonostante ciò, la comunicazione nello spazio è soggetta a molte forme di interferenza che hanno a lungo reso impossibile comunicare nelle ore di luce, problema che è stato risolto finora solo parzialmente. Anche la comunicazione sott’acqua, soprattutto nell’acqua di mare, presenta in verità numerosi problemi.

Nella pratica, però,si sta dimostrando come la totale sicurezza prevista dallo scambio di QKD non sia pienamente realizzabile. La sostituzione di QKD per la crittografia convenzionale non elimina altre connessioni deboli e vulnerabilità nella sicurezza di un sistema.