Il satellite quantistico della Cina ha inviato per la prima volta dei fotoni in entanglement sulla Terra

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Tecnologia

Il satellite quantistico della Cina ha inviato per la prima volta dei fotoni in entanglement sulla Terra

Forse tra cinque anni avremo una rete di comunicazione quantistica spaziale.

Siamo sempre più dipendenti dal mondo digitale per quasi ogni aspetto della nostra vita quotidiana. Due tecnologie fondamentali che hanno reso possibile la rivoluzione digitale sono i satelliti e la crittografia. I satelliti vengono utilizzati per un gran numero di operazioni: dal GPS , alla televisione, dall'elaborazione dei dati delle carte di credito. I protocolli di crittografia, invece, sono indispensabili non solo per comunicare con questi stessi satelliti, ma anche per le trasmissioni private come quelle dei documenti medici personali o pubbliche come l'invio di messaggi agli amici.

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Il problema è che l'avvento del calcolo quantistico minaccia di rendere obsoleti i metodi di crittografia attuali, con la conseguenza di mettere i dati delle vostre sessioni di sexting — e qualsiasi rete di comunicazione satellitare — a rischio di esposizione. I ricercatori e le agenzie di intelligence non vedono l'ora di sviluppare delle tecniche di crittografia basate sulla fisica quantistica, ma capire come esportare queste tecniche nell'inospitale ambiente spaziale è molto più complesso.

Eppure, secondo quanto riportato su due paper appena pubblicati indipendentemente da ricercatori cinesi ed europei, le reti satellitari quantiche sicure sembrano più vicine che mai. In Cina, una team ha utilizzato un nuovo satellite quantistico per battere il record di trasmissione di una coppia di particelle in entanglement. Nel frattempo, un altro team tedesco ha dimostrato che i satelliti di comunicazione attuali potrebbero essere utilizzati per trasmettere informazioni quantistiche.

L'entanglement è come una singola particella che esiste in più luoghi in contemporanea

Sulla base della nuova ricerca, alcuni dei scienziati coinvolti pensano che assisteremo alla nascita di una rete di comunicazione satellitare quantistica nel giro di cinque anni.

Al momento, un satellite attrezzato per esperimenti quantistici è già in orbita intorno alla Terra. Lo scorso agosto, la Cina ha lanciato Micius, il primo satellite quantistico al mondo. Si tratta di un prototipo per realizzare una rete globale di comunicazioni satellitari quantichistiche cinese, che nelle speranze della nazione dovrebbe essere operativa intorno al 2030. Ma in primo luogo, i suoi propositori dovevano dimostrare che la trasmissione degli stati quantici dall'orbita fosse fattibile.

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I ricercatori cinesi hanno comunicato non solo che è possibile, ma che il satellite quantistico è riuscito a trasmettere dei fotoni in entanglement a una distanza di più di 1.2000 chilometri, superando il precedente record di distribuzione di particelle in entanglement di poco più di 100 chilometri raggunto sulla Terra da un altro team nel 2012.

L'entanglement è un fenomeno quantistico nel quale particelle che si trovano in luoghi diversi condividono lo stesso stato quantistico, come se una singola particella esistesse in più posizioni contemporaneamente. L'entanglement delle particelle — di solito particelle luminose o fotoni — è un modo ideale per inviare informazioni sicure perché qualsiasi intrusione nella trasmissione da parte di un esterno altererebbe lo stato quantico delle particelle, consentendo a chi riceve di sapere che la trasmissione è stata intercettata rendendo Il messaggio incoerente.

Se la capacità di trasmettere istantaneamente e in modo sicuro le informazioni tra due punti manipolando uno stato quantistico di un fotone avrebbe grandi implicazioni per il futuro delle comunicazioni, capire come mantenere due particelle in entanglement su lunghe distanze è molto complicato.

Anche se tanto l'atmosfera quanto la fibra ottica possono essere utilizzate per mandare le particelle in entaglement, entrambi questi mezzi ne degradano lo stato e, su lunghe distanze, l'effetto va completamente perso. In questo senso, lo spazio è il mezzo ideale per trasmettere gli stati quantistici delle particelle, dato che questa comunicazione non viene degradata dall'atmosfera terrestre, ammesso che l'entanglement si verifichi tra due satelliti in orbita nello spazio.

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Ma la trasmissione di stati quantistici tra qualche satellite in orbita non è molto utile per noi che stiamo sulla Terra. I ricercatori cinesi hanno dovuto scoprire un modo per trasferire questi stati quantistici dallo spazio fino alle stazioni terrestri, questo significa che il segnale doveva compiere un viaggio pericoloso attraverso l'atmosfera rischiando di alterare lo stato di entanglement. Per aggirare questo problema, i ricercatori si sono affidati ai laser — e come riportato su Science, il loro esperimento ha funzionato.

Per ottenere il loro risultato, hanno sfruttato un splitter montato sul satellite, che ha separato il segnale laser proveniente dal satellite in due fasci distinti. Questi sono stati quindi filtrati attraverso un cristallo presente a bordo del satellite, che ha prodotto una copia di fotoni in entanglement.

Questi fotoni hanno poi percorso fino a quasi 2.000 chilometri per raggiungere due diverse stazioni basate in Cina distanti quasi più di 1.200 chilometri l'una dall'altra, mantenendo comunque l'entanglement tra le particelle.

Questa trasmissione di successo di fotoni in entanglement da un satellite è un passo avanti enorme verso una rete di comunicazione spaziale quantistica e sicura. Certo, sono ancora presenti diversi ostacoli, come la creazione effettiva di una rete di satelliti quantistici e l'utilizzo dell'entanglement per la trasmissione effettiva di informazioni piuttosto che di semplici fotoni singoli.

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Ma come spiegato dai ricercatori nel loro paper, "i fotoni distribuiti in entanglement sono utili per la distribuzione delle chiavi crittografiche basate sull'entanglement quantistico" o QKD. Si tratta essenzialmente di un metodo per manipolare gli stati quantici dei singoli fotoni per creare una chiave crittografica. Questa chiave viene quindi combinata con un algoritmo di crittografia non quantistico utilizzato per codificare effettivamente i dati inviati, che possono essere trasferiti su supporti tradizionali di comunicazione, come fibre ottiche o laser.

In breve, le chiave quantistiche sono fondamentalmente delle chiavi di crittografiche. Ma mentre i protocolli di crittografia utilizzati oggi potrebbero rivelarsi vulnerabili ai computer quantistici di domani, l'incapacità di misurare uno stato quantistico senza alterarlo renderebbe impossibile rompere una chiave quantistica pur disponendo di tutta la potenza di calcolo dell'universo.

Progettare, testare e lanciare una nuova flotta di satelliti quantistici potrebbe rivelarsi un'impresa immensamente costosa. Ma secondo le nuove ricerche del Max Planck Institute in Germania, dovrebbe essere possibile sfruttare la distribuzione delle chiavi quantistiche generate dai satelliti quantistici utilizzando le reti satellitari esistenti.

Come spiegato in un articolo pubblicato su Optica, questi ricercatori sono riusciti a misurare con successo gli stati quantici trasmessi via laser a una stazione terrestre da un satellite posto a quasi 38.000 chilometri al di sopra della Terra. A differenza di Micius, questo era solo un satellite di comunicazione parte dell'Europa SpaceDataHighway non ottimizzato per l'invio di stati quantistici via laser.

"Siamo rimasti abbastanza sorpresi da quanto gli stati quantici siano riusciti a preservarsi così bene viaggiando attraverso la turbolenza atmosferica verso una stazione terrestre," ha dichiarato Christoph Marquardt, un fisico ottico del Max Planck Institute for the Science of Light. "Dalle nostre misurazioni, possiamo dedurre che la luce che ha raggiunto la Terra fosse molto adatta ad essere gestita come una rete di distribuzione di chiavi quantistiche."

Nel corso del 2015 e all'inizio del 2016, Marquardt ei suoi colleghi hanno eseguito esperimenti dall'Osservatorio Teide in Spagna. Dato che la tecnologia di comunicazione laser sul satellite era molto simile alla tecnologia laser sviluppata dall'Istituto Max Planck per consentire la distribuzione delle chiavi quantistiche, i ricercatori hanno potuto utilizzare il satellite per creare degli stati quantistici che sono stati poi trasmessi al suolo e misurati con precisione .

Anche se trasmettere uno stato quantico dallo spazio alla Terra non è come trasmettere delle coppie di particelle in entanglement — come nel caso dell'esperimento cinese — i ricercatori sperano che questo primo esperimento possa essere la base su cui lavorare per trasformare i satelliti di comunicazione già esistenti nella spina dorsale di un futuro network di comunicazione quantistico, piuttosto che realizzarlo a partire da zero.

"Il paper dimostra che la tecnologia deo satelliti può essere utilizzata per ottenere delle misurazioni quantistiche, rendendo così possibile una rete di comunicazione quantistica via satellite," ha dichiarato Marquardt. "Questo abbatterebbe notevolmente le tempistiche di sviluppo, il che significa che potrebbe essere possibile disporre di un sistema simile non più tardi di cinque anni da ora."