Reti quantistiche, un futuro non solo di connessione ma anche di correlazione

AGI - Nuovo impulso alla creazione della rete internet di domani. Le distanze fra stazioni collegate da una connessione quantistica stabile diventano sempre più grandi. Finora, il limite sperimentale era di quattrocento di chilometri ottenuto mediante fibra ottica o anche di oltre un migliaio di chilometri via satellite ma registrando comunque degradazione e perdite del segnale, un aspetto che avrebbe pesanti ripercussioni sull'integrità di quest'ultimo.

Ciò ha pertanto ristretto la connessione realistica stabile a meno di un centinaio di chilometri di distanza effettiva. La soluzione proposta per ovviare a questo problema è stato quello “classico”, basato sull'utilizzo di opportuni “ripetitori”. Si è però constatato che questi ultimi non offrono una garanzia per la sicurezza e per l'integrità dell'informazione.

L'articolo appena pubblicato sul sito della rivista Nature (Jian–Wei Pan et al. – Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres) illustra una soluzione per la connessione a lunga distanza senza degradazione o perdita del segnale (in questo caso, fotoni), sempre mediante collegamento satellitare e sempre affidandosi a un fenomeno di correlazione quantistica chiamato “entanglement”. L'esperimento ha permesso di inviare una chiave segreta per crittografare e decrittografare un messaggio fino a una distanza di 1120 chilometri.

In cosa consiste l'entanglement?

Anche se abbiamo già avuto occasione di parlarne in queste pagine, sarà bene riprendere il concetto e approfondirlo. La meccanica quantistica (M. Q.) spiega il comportamento del mondo infinitamente piccolo. Ma alcune sue interpretazioni paiono tanto straordinarie da risultare davvero controintuitive.

Un aspetto del mondo che conosciamo e di cui abbiamo esperienza è il principio di causalità: l'effetto segue sempre la causa. E nemmeno riusciamo a immaginare che gli eventi registrati in un luogo possano avere conseguenze magari istantanee in un altro luogo distante e non collegato al primo. È il principio di località.

Ebbene, alle particelle, che vivono in un mondo molto al di sotto della soglia di percezione umana diretta, è permesso violare entrambi i principi. Ma non solo. Se lancio una pallina da tennis, in ogni istante del suo percorso posso ricavare informazioni sulla sua posizione mentre viaggia verso di me e sulla velocità (più o meno) con la quale essa percorre la sua traiettoria. Se non fosse vero questo, il gioco del tennis risulterebbe comico e assolutamente casuale. Si tratterebbe di una pratica sportiva aleatoria, stocastica.

Giocare a tennis con le particelle elementari farebbe impazzire i tennisti e ridere a crepapelle il pubblico, perché non si potrà mai conoscere contemporaneamente la posizione e la velocità della minuscola pallina (e non solo perché essa non sarebbe ovviamente visibile!).

Incertezza, indeterminazione...

Nel mondo bizzarro della M. Q. tutto è conosciuto solo con una certa percentuale di probabilità. Perché qualunque cosa si faccia per ricavare informazioni complete da un oggetto microscopico, anche il semplice fissarlo con lo sguardo (se fosse possibile!), ne modificherebbe irrimediabilmente lo stato distruggendo così la completezza dell'informazione.

Ma l'imperscrutabile sottobosco quantistico gode di un altro privilegio “magico”. Due particelle che interagiscono a un certo punto della loro storia mostreranno gli effetti di questo loro “legame” anche se dovessero trovarsi successivamente agli estremi opposti dell'universo. E lo mostreranno contemporaneamente. Un po' come tirare in aria due monete allo stesso tempo e in luoghi diversi (come eventi indipendenti) e scoprire che le combinazioni di caduta risultano sempre accoppiate (correlate): “testa–testa” o “croce–croce”, non altre. Le due monete si troveranno quindi in uno stato entangled, ben oltre l'evidente anomalia statistica. 

I fotoni mostrano le medesime caratteristiche appena descritte. Se due di questi risultano quantisticamente correlati, qualunque azione sullo stato di uno dei due avrebbe conseguenze istantanee e corrispondenti sullo stato dell'altro fotone, anche se dovessero trovarsi a distanze cosmologiche l'uno dall'altro. E questo, in barba ai principi di località e di causalità. In tal modo, si potrà stabilire una sorta di “comunicazione” tra due particelle correlate distanti quanto si vuole.

Una rete quantistica sfrutterà questo fenomeno per la futura trasmissione dei dati. Ma sarà necessario garantire che l'informazione viaggiante non venga perduta e che sia protetta da eventuali interferenze.

L'articolo citato illustra l'esperimento che perfeziona ciò che era stato già verificato in precedenti test, aumentando però in questa prova la distanza di ricezione stabile, l'efficienza di trasmissione, riducendo la percentuale di errore e mantenendo l'integrità del segnale, garantendone al contempo anche la sicurezza.

Tutto questo è stato raggiunto mediante l'installazione di due stazioni sperimentali, idonee a ricevere e a processare segnali quantistici, nelle città di Delingha e Nanshan, in Cina, distanti fra loro 1120 chilometri. I fotoni prodotti dal satellite Micius al passaggio sulle due stazioni – orbitante a 500 chilometri di altezza – erano posti in un opportuno stato entangled in modo da consentire la trasmissione di una chiave quantistica utilizzando un canale sicuro, resistente a qualsiasi tipo di intromissione.

È una fase importante che dimostra la fattibilità scientifica del processo di trasmissione protetta dell'informazione con un metodo tanto avanzato. Ma siamo ancora ai primi passi. Seguiremo gli sviluppi, ormai inarrestabili.

Una mia riflessione. Una rete che fonda la propria esistenza su di una “inquietante azione a distanza”, come un riottoso Einstein definiva l'entanglement al suo tempo, renderà “inquietante” (ma per ben altri motivi!) anche la gestione della rete di computer a quella connessa? Una rete di computer quantistici che magari lavoreranno in ambiente di intelligenza artificiale generalista?

Continuo a condividere le preoccupazioni di Bostrom, quelle che erano di Hawking e di tanti altri. Ammetto di sentirmi... inquieto. Ci sarà bisogno di una futura e non più immaginaria eroina tipo Sarah Connor e della sua prole, per proteggere le prossime generazioni? È inquietante il solo pensarlo.