Quantum information technology, breve storia dell’industria italiana

Dai primi anni Ottanta fino ai giorni nostri. Attualmente l’Italia ha al suo attivo in totale 14 brevetti relativi alla Quantum Information e Quantum Cryptography ed è quindi proiettata a pieno titolo nel futuro del Quantum Computing [...]
Cinzia Crostarosa

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Nella nuova era post-COVID, in cui tutto è stato messo in crisi con impatti giganteschi sul sistema economico globale, l’informatica è diventata preminente, la corsa allo sviluppo di tecnologie innovative come il Quantum Computing diventa ancor di più una sfida ad alto livello di primaria importanza per affermare il proprio potere nel mondo digitale.

La fisica quantistica è un nuovo modo di leggere la Natura e ha insito in sé un potenziale dirompente proprio di un’autentica rivoluzione, che ci permetterà di costruire device con delle proprietà sorprendenti, che influenzeranno profondamente la nostra vita, come ha affermato di recente Fabio Antonio Bovino durante una “Cleo/Europe Plenary Session” sull’argomento svoltasi a Monaco.

I settori che saranno maggiormente interessati saranno quello della difesa, dell’aerospazio, dell’energia e delle telecomunicazioni.

In particolare la Quantum Information Technology può supportare modalità completamente nuove nel campo dell’elaborazione delle informazioni, che si basano sui Qubit, con degli impatti notevolmente maggiori rispetto alle teorie della fisica classica. I progressi nello sviluppo di tecnologie per realizzare l’elaborazione di informazioni quantistiche sono quasi quotidiani e sono incastonati in una gara a livello globale tra i laboratori di ricerca intenzionali.

Alla fine del 2019 è stata annunciata la “Supremazia Quantistica” da parte di Google, per cui ormai sembra arrivata la possibilità reale di avere delle macchine, che sfruttino la tecnologia dei Qubit, ovviamente anche l’Europa e di conseguenza l’Italia sono in corsa per affermare le proprie capacità in tale ambito.

 

La Elsag-Datamat e la Quantum Technology

Dal 1980 la storica Elsag-Datamat, che è stata parte della galassia delle società Finmeccanica, oggi Leonardo, aveva affrontato lo studio e la ricerca relativa alla “Quantum Information Technology”, perché si aveva la percezione che potesse supportare modalità completamente nuove di elaborazione delle informazioni basate sui Qubit.

Negli stessi anni, in Inghilterra lo studioso sir Roger Penrose dell’Università di Oxford stava investigando il segreto della mente in una scienza ancora da inventare, in una terra di mezzo, che secondo l’insigne matematico doveva trovarsi sul confine tra la fisica classica e la fisica quantistica. In realtà, come il noto mito di Diogene, Sir Penrose si aggirava nel suo laboratorio-caverna vedendo le ombre di quella che è la realtà effettiva della fisica dei bosoni. Negli anni ’90 secondo Penrose occorreva una nuova fisica, tutta da scoprire e sarebbe stata sicuramente una rivoluzione al pari della scoperta della relatività einsteiniana.

Valicando la manica e tornando in Italia, Francesco De Martini per primo realizzò insieme a Zeilinger la Quantum Teleportation, che prometteva nuove affascinanti scoperte oltre l’orizzonte della fisica classica. Inoltre, un altro esponente industriale del calibro di Giuseppe Castagnoli realizzò il controllo di un Qubit tramite NMR (risonanza magnetica nucleare).

Nel 1993 in un convegno a Genova, il workshop “Quantum Information” a Villa Guarino, sempre sir Penrose incontra, con altri scienziati internazionali, la Elsag- Datamat – Bailey, azienda del gruppo Finmeccanica (De Martini, Shor, Ekert, Castagnoli, Bovino), che studiava calcolatori elettronici di nuovo tipo, cioè computer quantistici, che promettevano potenze di calcolo straordinarie grazie al fatto che la teoria dei quanti ammette l’accadimento congiunto di eventi alternativi, ossia la sovrapposizione di stati diversi, che sarebbero inconciliabili per la fisica classica e gli algoritmi di calcolo dei computer oggi in uso.

Elsag – Datamat- Bailey – ISI Annual Workshop on Quantum Communication and Computation, 1993

Agli albori delle teorie della Quantum Tecnology, nel 1997, gli italiani si distinguono per la loro peculiare mente ingegneristica e si ha il primo progetto italiano di crittografia (iQCspot).

Nel 2001 si ha il primo “prototipo di crittografia quantistica a stati entangled” in collaborazione con la swiss company ID Quantique, società privata con sede a Ginevra, che di fatto è uno spin-off dell’Università di Ginevra e ha stretti legami con la leadership istituzionale e accademica.

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Nello stesso anno, gli studiosi Bovino, Varisco, Colla, Castagnoli e Sergienko presentano alla 6^ Conferenza Internazionale sulla “Quantum Communication” un dimostratore che utilizza i fotoni-entangled su dei link con crittografia quantistica.

Per quanto riguarda il calcolo quantistico, esso è diventato possibile tutto-ottico nel 2001, quando vi è stata la svolta nota come “schema KLM (Knill-Laflamme-Milburn)”, che ha dimostrato che il calcolo quantistico è scalabile ed è possibile utilizzando solo sorgenti a singolo fotone, con rivelatori e circuiti ottici lineari.

Nel 2004 già Ekert studia la distribuzione a chiave quantistica (Quantum key distribution, o QKD), che si basa sul principio di indeterminazione di Heisenberg, che afferma che non è possibile conoscere con precisione lo stato quantistico di una particella, in quanto ogni tentativo di misurazione farebbe “collassare” la particella dal suo stato quantistico, comportando la perdita di tutte le informazioni relative a tale stato. Ciò significa che, all’interno di una comunicazione crittografata con un sistema QKD, ogni tentativo di intercettazione del messaggio verrebbe rilevato, in quanto modificherebbe inevitabilmente lo stato del sistema, lasciando oltretutto un segno evidente del tentativo di “osservazione”. Si può affermare che Ekert è a tutti gli effetti l’inventore della QKD basata sugli stati entangled.

Nel 2007 la società svizzera ID Quantique è stata in grado di annunciare la prima applicazione pubblica di questa nuova tecnologia di crittografia per proteggere una rete utilizzata per il conteggio dei voti durante un’elezione a Ginevra.

In Italia nel 2010 si ha il primo prototipo del Q-KeyMaker, di cui il brevetto è riconducibile a Bovino, chief del Quantum Lab di Leonardo.

Già nel marzo 2011 all’Associazione AFCEA del Capitolo di Roma, Giorgio Dettori, presidente della Space Academy, ed Enrico Flamini, capo scienziato dell’Agenzia spaziale italiana-Roma, hanno discusso argomenti come l’entanglement fotonico e i laser TLC. La sessione è proseguita sulla crittografia quantistica e le sue relazioni con la gestione dell’elenco delle chiavi, la crittografia off-line e l’interoperabilità con i sistemi C4ISTAR. Il professor Paolo Villoresi, Università di Padova, ha proseguito questo discorso parlando della Teoria della distribuzione quantistica delle chiavi (QKD) e della necessità della sua validazione sperimentale nel quadro dei collegamenti di comunicazione spaziale. La seconda sessione è stata avviata da Gaetano Tassone, Telespazio, che ha discusso i protocolli di crittografia per TLC a lunga distanza, seguito da Bovino, Selex-SI, chief of Quatum Optics Lab, parlando della caratterizzazione dell’entanglement, QKD e computazione quantistica, mostrando infine un prototipo tangibile di un processore quantistico costruito nel suo laboratorio. La sessione è proseguita con la presentazione tenuta da Nicola Laurenti, Università di Padova, che parlava degli obiettivi e dell’evoluzione del Quantum Future Project. Si è concluso con Cristian Antonelli, Università dell’Aquila, commentando il tasso di errore nella generazione delle chiave e le influenze del canale di comunicazione nel QKD a lungo raggio.

Nel 2013 presso la National Aviation University (Ucraina) si riunirono nuovamente le menti della nuova tecnologia legata al “Quantum Information Security Systems” (“Computer Science & Engineering 2013” (CSE-2013), 21–23 novembre 2013, Ucraina).

Negli stessi anni ID Quantique, oltre a concentrarsi sulla tecnologia QKD, ha anche sviluppato competenza nel settore della crittografia ad alta velocità, per cui ha concepito il sistema “clavis” dal latino chiave, con creazione automatica e scambio di chiavi segrete su dei canali in fibra fino a 100 km. In questi anni si iniziano a vedere i primi progetti che attuano effettivamente la Quantum Tecnology.

Nel 2016 si affronta un argomento strettamente correlato, che è la distribuzione di chiavi quantistiche indipendente dal dispositivo di misurazione, detta “Device Indipendence”.

Attualmente l’industria italiana ha al suo attivo in totale 14 brevetti relativi alla Quantum Information e Quantum Cryptography. Quindi è proiettata a pieno titolo nel futuro del Quantum Computing.

The Quantum Revolution, AI e prospettive future

Grazie ai progressi della tecnologia, alcune aziende potranno ottenere importanti guadagni dall’informatica quantistica entro il prossimo decennio. Come ci stiamo preparando alla prossima grande ondata della Quantum Revolution? Qual è la vision dell’industria europea e italiana che governa la rotta verso il futuro?

Tutti i grandi player tecnologici, da Google a IBM, sono coinvolti nella costruzione del computer quantistico. Alla fine del 2019, Google ha effettivamente affermato di aver raggiunto la supremazia quantistica.

Un “malicious hacker” potrebbe accedere alle informazioni di dati crittografati con algoritmi commerciali standard, come RSA o AES256, e quindi con l’arrivo del computer quantistico potrebbe sviluppare un nuovo algoritmo per decifrare tali dati. Poiché molti dati segreti devono essere mantenuti per più di 5 anni, questi dati sono già attualmente a rischio, quindi molte istituzioni, governi e autorità globali hanno già fornito direttive per passare immediatamente alla crittografia quantistica sicura.

quantum computing

 

Non sorprende, quindi, che anche in campo quantistico la ricerca della soluzione dei problemi di sicurezza nelle comunicazioni possa alimentare la capacità di produrre una tecnologia di calcolo perfezionata. Una prima applicazione concreta è possibile nell’ambito della crittografia. Il sistema, che è stato sviluppato presso Elsag-Datamat appartiene alla cosiddetta “seconda generazione” della crittografia quantistica, in cui le chiavi per una coppia di utenti vengono generate a partire da sequenze di coppie di fotoni entangled in polarizzazione. Il concetto di “entanglement”, definito da Erwin Schrödinger come “la peculiarità della meccanica quantistica”, è basato sul principio di sovrapposizione degli stati e sulla non separabilità degli stati delle parti di un sistema composto. Coppie di fotoni entangled in polarizzazione possono essere create, quando un fascio laser attraversa un cristallo non-lineare come il beta borato di bario; il cristallo converte un fotone ultravioletto in due fotoni di energia più bassa (nell’infrarosso vicino), l’uno polarizzato orizzontalmente (cono rosso), l’altro polarizzato verticalmente (cono blu). Un teorema della meccanica quantistica (no-cloning theorem) stabilisce che non si possono effettuare copie perfette di uno stato quantistico. Nel Laboratorio di ottica quantistica della storica Elsag-Datamat fu già realizzato all’inizio di questo millennio il primo esperimento sul “quantum cloning” con la conseguente realizzazione di un sistema crittografico quantistico basato su fotoni entangled, funzionante su distanze dell’ordine dei km, ad oggi fino a 200km, con prestazioni prolungate dell’ordine dei kbit di chiave netta al secondo.

Quindi ci troviamo nel mezzo di una seconda rivoluzione quantistica, la quale sfrutta le leggi della natura emerse nella prima rivoluzione per creare una nuova ingegneria ed una nuova tecnologia quantica, che permetterà di progettare, controllare e ingegnerizzare dispositivi quantici per il trattamento dell’informazione. Gli obiettivi finali sono la creazione di una crittografia inviolabile secondo le leggi della natura, inoltre lo sviluppo di una nuova metrologia con un’accuratezza superiore di vari ordini di grandezza rispetto alla metrologia classica, finalizzata alla realizzazione industriale di un “calcolatore quantistico” potenzialmente capace di risolvere, in frazioni di secondo, problemi di calcolo la cui soluzione con i più potenti calcolatori odierni richiederebbe in linea di principio un numero di anni con decine di zeri.

Oggi già si parla di Post-Quantum Criptography e anche oltreoceano, in Canada, si stanno studiando e inventando start-up, che si basano sui concetti della tecnologia quantica, come la Quantum Bridge Technologies, che sta recentemente affrontando il mercato delle nuove generazioni di infrastrutture di comunicazioni.

 

quantum computing

 

La rivoluzione quantica avvia anche una nuova produzione di circuiti con porte e connessioni fisiche, che diventano sempre più piccole e presto saranno fatte solo da una manciata di atomi.

I fotoni sono insuperabili in termini di tempi di decoerenza, mobilità e realizzabilità delle operazioni ad alta fedeltà a singolo Qubit. Si otterranno sistemi integrati su chip, che potranno essere sia fotonici che plasmonici, con delle porte quantistiche universali come SWAP, CNOT, CPHASE, TOFFOLI per due Qubit e per casi multiQubit. L’obiettivo più importante è che il teletrasporto possa diventare completamente deterministico. (On Chip IntraSystem Quantum Entangled States Generator, Reference: 7993 978-1-5386-4658-8/18©2019 IEEE)

Tutta questa pantagruelica tecnologia quantica è proiettata a essere il terreno fertile per le applicazioni di artificial intelligence (AI), per cui una volta fissato il nuovo HW dell’infinitamente piccolo a livello fotonico, l’industria dovrà essere pronta con eserciti di sviluppatori, che programmeranno con algoritmi non più sequenziali ma con logiche in parallelo, questi nuovi computer del futuro, che promettono delle performance all’altezza delle strumentazioni dei supereroi dell’immaginario fantastico.

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