quantistica

Un team di ricercatori canadesi guidati dal professore Ebrahim Karimi dell’università di Ottawa ha dichiarato di aver trovato un metodo, adattabile a molteplici applicazioni pratiche, idoneo a bypassare il controllo quantistico. Un messaggio crittato con QKD non può essere perfettamente clonato (in virtù del teorema di non-clonazione), ma si sta dimostrando possibile una forma di clonaggio ottimale. Ciò vuol dire che certe porzioni di uno stato quantistico possono essere lette. Karimi e la sua squadra stano costruendo una macchina che prevedono sia capace di replicare l’informazione originaria con un’accuratezza dal 50% all’83%. Inutile dire che avere metà del messaggio originario è irrilevante, mentre se si raggiungessero percentuali sopra l’80% potrebbe inficiare la perfetta sicurezza che il sistema dovrebbe garantire.

Inoltre, in base ad un report fornito dall’ufficio di consulenza scientifica della U.S. Air Force, la crittazione tramite scambio di QKD non sembra sufficientemente conveniente dato che le sue maggiori garanzie sulla sicurezza non sembrano compensare lo svantaggio dovuto alla complessità del suo utilizzo pratico (dovuto ai considerevoli problemi logistici e tecnici) rispetto alle migliori alternative classiche attualmente disponibili.

Il governo cinese sembra invece essere molto più fiducioso su questa tecnologia, puntando a risolvere i numerosi problemi tecnici ad essa connessa e a sviluppare la sua rete di comunicazione quantistica, che attualmente comprende, oltre al satellite Mencio, una linea di comunicazione diretta tra Pechino e Shangai. In futuro le autorità puntano a collegare fra loro tutte le grandi città cinesi utilizzando questa tecnologia.

Tuttavia, la competizione maggiore si sta osservando nella costruzione e nello sviluppo di computer quantistici,  che al giorno d’oggi è al centro dell’impetuoso flusso di finanziamenti privati e governativi di alto livello per la ricerca. Mentre i computer tradizionali eseguono calcoli utilizzando bit che esistono solamente negli stati di “0” e “1”, i computer quantistici utilizzano i qubit. Questo analogo quantistico dei classici “bit” consiste nella sovrapposizione degli effetti (superposition) di tutti i possibili stati fisici tra lo “0” e l’”1”, permettendo un esponenziale miglioramento delle capacità computazionali. Le potenzialità militari e commerciali di questa tecnologia sono di primaria importanza per tutti quei settori dove la velocità e la potenza di calcolo sono richieste, con applicazioni che variano dalla chimica al machine learning.

Attualmente non esiste un computer quantistico general-purpose che sia capace di superare le capacità dei computer tradizionale più potenti; l’obiettivo comune delle ricerche è infatti proprio questo: raggiungere la “supremazia quantistica” sorpassando le capacità computazionali classiche più potenti, ovvero poter produrre un computer quantistico da più di 100 qubit.

La maggior parte delle grandi aziende come IBM e Google Alfaphet, per raggiungere questa meta, si stanno concentrando nello sviluppo di circuiti superconduttori refrigerati a temperature estreme. Nuove tecniche di calcolo quantistico ottico che coinvolgono l’interazione tra fotoni sembrano essere ugualmente efficaci. In aggiunta, recenti progressi nella computazione quantistica topologica, che sfrutta le proprietà topologiche di specifiche particelle, può provarsi più robusta contro errori ed interferenze cui sono soggetti altri tipi di approcci. Microsoft sta cominciando a esplorare proprio questo campo d’applicazione.

Nel marzo 2018, Google ha introdotto Bristlecone, un nuovo chip di calcolo quantistico da 72 qubits. Nonostante ciò, gli scienziati del laboratorio di computazione quantistica di Alibaba hanno sfidato Google, che è sul punto di raggiungere la supremazia quantistica. Basandosi su un simulatore classico, i ricercatori cinesi hanno rimarcato come la frequenza di errore di Brislecone è ancora troppo elevata. Essi ritengono di essere sulla strada per raggiungere la supremazia quantistica (量子霸权) non oltre il 2019.

Il cammino verso l’acquisizione di capacità di calcolo quantistico sarà lungo e tortuoso, ma va tenuta in conto la possibilità che un futuro computer quantistico possa decrittare informazioni che gli attuali computer si scambiano per ogni tipo di transazione. Utilizzando l’algoritmo di Shor, solo un computer quantistico può riuscire a leggere dati che sono stati criptatati tramite la fattorizzazione dei numeri primi (utilizzata nella tecnica RSA), impresa impossibile da praticare tramite computer classici se non impiegando migliaia di anni. Nel 2015, la National Security Agency (NSA), in risposta ai progressi in atto, ha adottato il tipo di crittazione “Suite B”, che ha la capacità di essere resistente a decrittazioni quantistiche, necessitando capacità di calcolo maggiori dei computer quantistici. Anche la crittografia che utilizza QKD è resistente alla decrittazione quantistica.

Per quanto riguarda le tecnologie a maggior impatto militare, vanno menzionati i radar quantistici, i quali, se sviluppati con successo, consentiranno di rilevare il proprio segnale anche se immersi in un ambiente ad elevato rumore di fondo. Questo permetterebbe l’individuazione di unità stealth, sorpassando questo tipo di tecnologia oggi ancora all’avanguardia, e il filtraggio dei tentativi più sofisticati di disturbo radar intenzionale. Il primo prototipo di radar quantistico è stato sviluppato proprio dai cinesi nell’Agosto 2016, ma poche informazioni sono state ancora rese note.

Vi sono anche altre varianti di sensori quantistici per individuare apparecchi stealth, nascosti o sotterranei. Le tecniche di “ghost imaging” (o “imaging a due fotoni”), che attualmente utilizzano proprietà non quantistiche ma che in futuro potrebbero farlo, possono avere applicazioni come sensori d’intelligence spaziali, di sorveglianza e di ricognizione. L’utilizzo di “orologi quantistici” può aumentarne la precisione, risultando in un grande vantaggio per le moderne operazioni militari. Anche l’utilizzo di “compassi quantistici” per la navigazione si potrebbero rivelare molto più efficienti dell’attuale tecnologia GPS, soprattutto negli ambienti interdetti.

Questa rapida carrellata di nuove tecnologie quantistiche è considerata fondamentale per la strategia e la sicurezza nazionale dal presidente Xi Jinping. L’accelerazione che si è voluto imprimere a questo ambito di ricerca negli ultimi anni è stata incitata anche dalle rilevazioni dell’ex-contractor dell’NSA Edward Snowden nel Giugno 2013. Tra le informazioni svelate ve ne sono anche sul complesso sistema di attività e capacità di intelligence statunitense in Cina, che sfrutta numerose postazioni d’ascolto dislocate soprattutto in Giappone e nella Repubblica di Corea (Corea del Sud). Inoltre, sono stati messi alla luce i numerosi deficit e vulnerabilità dei sistemi informatici e di sicurezza cinesi. Ciò è stato una delle principali preoccupazioni che hanno portato i ricercatori cinesi a puntare di convertire con la crittazione quantistica tutte le comunicazioni sensibili attualmente crittate in modo classico.

Pan Jianwei (潘建伟), considerato il padre della fisica quantistica cinese, è colui che ha permesso la realizzazione del satellite Mencio e che sta guidando gli scienziati cinesi lungo questo difficile percorso. Egli è, infatti, il fondatore del citato Laboratorio di Informatica e Fisica Quantistica (量子物理与量子信息实验室) presso l’Università della Scienza e della Tecnologia in Cina. L’anno di nascita del laboratorio, il 2001, coincide con il suo ritorno in Cina dopo aver conseguito un PhD all’università di Vienna dove lavorò assieme ad Anton Zeilinger, uno dei massimi fisici quantistici con cui sperimentò il satellite Mencio.

Il ricercatore cinese è fiducioso che la tecnologia quantistica fornisca uno scudo fisicamente impenetrabile ad attacchi cibernetici esterni, e pare sia riuscito a ottenere l’allineamento alle sue convinzioni anche da parte dei leader di partito.

Nell’aprile 2016, Xi ha visitato e ispezionato l’università di Scienza e Tecnologia della Cina, dove è stato aggiornato da Pan Jianwei sui nuovi progressi nella comunicazione quantistica e sui progetti che saranno sviluppati in futuro. Durante la 36° sessione studio del Politburo sulla sicurezza cibernetica nell’Ottobre 2016, Xi ha definito l’importanza dello sviluppo nella ricerca quantistica, mentre nell’ottobre 2017, in occasione della redazione del rapporto dei lavori del 19° congresso di partito, è stato rimarcato l’imperativo strategico nel progredire nell’intelligenza artificiale e nella tecnologia quantistica.

Se i piani di sviluppo scientifico cinese avessero successo, la Cina potrebbe ottenere un notevole vantaggio dimostrando di avere capacità tecniche competitive rispetto a quelle statunitensi e raggiungere in futuro il dominio sul mercato e sul settore militare in questo nuovo campo tecnologico. Lo stesso Xi Jinping ha affermato che lo sviluppo dei computer quantistici è una tappa essenziale per la realizzazione del rinascimento cinese, meglio noto come “Sogno Cinese” (中国梦).

I notevoli sforzi e risorse messe in campo per far progredire la scienza quantistica si riflettono nella lunga serie di progetti e piani nazionali per la scienza e la tecnologia, che si innestano in una nuova fase di ricerche dopo aver conseguito i primi obbiettivi.

Nel 2016, una ricognizione su vasta scala dei progetti di ricerca e sviluppo di alto livello ha consolidato la ricerca in campo quantistico attraverso un nuovo Piano Chiave di Sviluppo e Ricerca Nazionale. In quest’ottica, il nuovo Programma Nazionale per l’Innovazione Tecnologica e la Scienza (国家科技创新规划) vuole concretizzare questa tendenza a priorizzare lo sviluppo quantistico fissandolo fra gli obbiettivi dell’ “S&T innovation 2030 Major Project”. Entro il 2030 il progetto si prefigge di implementare la comunicazione quantistica tramite lo spazio aereo nei maggiori conglomerati metropolitani cinesi (soprattutto nella futura super città di Jing-Jin-Ji, che ingloberà tutta la provincia dello Hubei insieme a Pechino e Tianjin) e sviluppare prototipi di computer quantistici per uso quotidiano (common-use) insieme a nuovi simulatori quantistici a utilizzo reale (actual-use).

Sebbene ci siano poche fonti ufficiali, il totale degli investimenti previsti sarà di svariati miliardi di yuan. Secondo i media cinesi, la spesa in scienza quantistica ammontava a 1,9 miliardi di yuan (302 milioni di dollari) tra il 2013 e il 2015.Nei due anni successivi i fondi annui stanziati sui progetti di controllo e informatica quantistica inerenti al solo Piano Chiave di Sviluppo e Ricerca Nazionale hanno eguagliato la precedente cifra di 1,9 miliardi di yuan in 18 direzioni di ricerca e più di 36 progetti.

In collaborazione con l’Accademia Cinese di Scienza, sono allocati 160 milioni di yuan (2,5 milioni di dollari) dal fondo per la cooperazione scientifica e tecnologica spaziale per il periodo 2017-2020, che include sperimentazioni tramite satelliti quantistici. In campo privato è da rimarcare l’investimento di 15 milioni di dollari da parte di Alibaba in tecnologie d’avanguardia, che includono l’intelligenza artificiale e le tecnologie quantistiche, realizzato attraverso l’accademia DAMO (Discovery, Adventure, Momentum, and Outlook).

In ambito militare, invece, il dipartimento per lo sviluppo degli equipaggiamenti del PLA (l’Esercito di Liberazione Popolare Cinese) sta supportando la ricerca quantistica attraverso il National Defense S&T Key Laboratories Fund (国防科技重点实验室基金) che si pone come obbiettivo l’acquisizione di radar e sensori quantistici (dei quali sono stati costruiti finora solo dei prototipi).

Nonostante ciò, i finanziamenti nazionali non sono i soli a esaurire il campo dei fondi per la ricerca: anche le sempre più cospicue finanze provinciali stanno cominciando a investire nella tecnologia quantistica. Nel marzo 2018, la provincia di Shandong (ad alta rilevanza strategica, essendo una penisola bagnata dalle acque del mar giallo e collocata tra Pechino e Shangai) ha redatto lo Shandong Province Quantum Technology Innovation and Development Program (2018-2025) (山东省量子技术创新发展规划) con l’obbiettivo di far diventare la città di Jinan il centro della nuova industria quantistica. Il progetto prevede rendite nell’ordine di decine di miliardi di yuan (miliardi di dollari), puntando a coprire il 70% del mercato nazionale della difesa. Si sta già parlando di una Jinan Hi-tech “Quantum Valley” (量子谷) che giocherà un ruolo fondamentale nell’implementazione di questa tecnologia.

Data la priorità rivestita dai progetti di ricerca, in futuro ci si aspettano ulteriori iniezioni di finanziamenti, benché molto dipenderà dai futuri ritmi di crescita del pil (che si sono attestati al 6,5% nel terzo trimestre di settembre del 2018, dopo il 6,7% del trimestre precedente). Per la competizione geopolitica Cina-USA è logico aspettarsi ulteriori inasprimenti delle attuali tensioni, che finora si sono espresse soprattutto in campo economico, ma che in futuro potranno coinvolgere anche l’ambito militare. Il presidente Xi ha infatti in progetto la riunificazione della Cina continentale con la “provincia ribelle” di Taiwan per il 2049, quando si festeggerà il centenario dalla fondazione della Repubblica Popolare. I leader cinesi considerano la scienza quantistica come un efficace vettore per colmare il gap tecnologico con gli Stati Uniti, battendo sul tempo gli altri paesi nello sviluppo dei primi computer quantistici.

Solo in futuro si potrà affermare se questa scelta sarà stata proficua. Attualmente le maggiori difficoltà cinesi nel muoversi in un contesto internazionale sempre più avverso rende necessario incentivare lo sviluppo di tecnologie indigene, per ridurre la dipendenza dall’estero.