Internet quantistico sulla fibra di casa? Dagli USA il Chip che lo rende possibile

L’internet quantistico ha compiuto un passo da gigante fuori dai centri di ricerca. In un esperimento chiave, un team di ingegneri dell’Università della Pennsylvania è riuscito a trasmettere segnali quantistici attraverso la rete commerciale in fibra ottica di Verizon, utilizzando lo stesso Protocollo Internet (IP) che gestisce il web attuale.

La ricerca, pubblicata su Science, dimostra che i segnali quantistici possono viaggiare sulla stessa infrastruttura del traffico dati convenzionale. Questo elimina la necessità di costruire da zero una rete dedicata, uno dei maggiori ostacoli alla diffusione di questa tecnologia.

Al centro dell’innovazione c’è un circuito integrato, il “Q-chip“, progettato per coordinare l’informazione classica e quella quantistica, rendendole compatibili con i protocolli di rete standard. Questo componente potrebbe servire come base per un futuro “quantum internet”.

Le applicazioni di un internet quantistico

La comunicazione quantistica si basa sul principio dell’entanglement, un legame tra particelle tale per cui una modifica su una si riflette istantaneamente sull’altra, indipendentemente dalla distanza.

Sfruttare questo fenomeno su una rete permetterebbe di:

• Interconnettere computer quantistici, creando un sistema di calcolo distribuito con una potenza oggi inimmaginabile.
• Accelerare lo sviluppo dell’intelligenza artificiale tramite la condivisione di immense risorse di calcolo quantistico.
• Innovare la ricerca scientifica, simulando molecole e materiali con una precisione irraggiungibile per i supercomputer attuali, con impatti diretti su farmaceutica e scienza dei materiali.
• Garantire comunicazioni ultra-sicure, poiché un tentativo di intercettazione altererebbe inevitabilmente lo stato quantistico, rendendo l’intrusione immediatamente rilevabile.

L’obiettivo non è migliorare lo streaming video, ma abilitare una nuova classe di applicazioni scientifiche e tecnologiche.

La Sfida: instradare un segnale senza “Leggerlo”

Una rete convenzionale instrada i dati leggendo le informazioni contenute in ogni pacchetto. Questo approccio è impossibile con i dati quantistici, poiché l’atto stesso di misurare una particella ne distrugge lo stato quantistico. Di conseguenza, misurare un segnale per instradarlo equivale a cancellarlo. Una sfida complessa.

Il “Q-Chip” risolve il problema con un sistema ibrido. Il concetto può essere semplificato con un’analogia ferroviaria:

1. La locomotiva (segnale classico): Un impulso di luce standard precede l’informazione quantistica. Questo segnale “header” può essere letto e misurato dai router di rete per determinare il percorso corretto.
2. I vagoni (segnale quantistico): I dati quantistici veri e propri seguono la locomotiva. Il loro contenuto non viene misurato, ma la loro destinazione è già stata definita dal segnale classico che li precede. Quindi la “Locomotiva” viene a essere la guida per i siegnali quantistici.

Questo metodo permette di “impacchettare” l’informazione quantistica in un formato compatibile con il Protocollo Internet (IP), consentendo alla rete di gestirla come se fosse traffico dati ordinario.

Dal laboratorio alla rete commerciale

Trasmettere segnali quantistici su un’infrastruttura reale espone a interferenze continue: variazioni di temperatura, vibrazioni da traffico o lavori edili. Questi disturbi, o “rumore”, degradano rapidamente i fragili stati quantistici.

La soluzione adottata è ingegnosa. Poiché il segnale classico e quello quantistico percorrono lo stesso cavo, subiscono gli stessi disturbi. Misurando le alterazioni subite dal segnale classico, il sistema può calcolare e applicare le correzioni necessarie al segnale quantistico che lo segue, il tutto senza misurarlo direttamente e preservandone così l’integrità.

Nei test, il sistema ha raggiunto una fedeltà di trasmissione superiore al 97%. Un ulteriore vantaggio è che il chip è realizzato in silicio con tecniche di fabbricazione consolidate, rendendolo adatto alla produzione di massa e quindi economicamente scalabile.

Prossimi passi e ostacoli

Non siamo ancora alla vigilia di una rete quantistica globale. L’ostacolo tecnico più significativo rimane l’impossibilità di amplificare un segnale quantistico su lunghe distanze senza distruggerne lo stato. Per superare questo limite, sarà necessario sviluppare “ripetitori quantistici“, dispositivi oggi ancora in fase di ricerca, per i quali forse abbiamo la tecnologia, ma ancora da approfondire.

L’esperimento rappresenta però un progresso fondamentale. Dimostra che un’architettura ibrida è praticabile e che è possibile sfruttare l’enorme investimento già effettuato nelle reti in fibra ottica. Come sottolineato dai ricercatori, la situazione ricorda gli anni ’90 e la nascita di internet, quando la connessione delle prime reti universitarie aprì la strada a sviluppi allora imprevedibili. Si tratta di un progresso basato su un componente fisico testato su una rete reale.

Da sinistra Liang Feng, Professore di Scienza dei Materiali e ingegneria e Robert Broberg, il dottorndo che ha realizzato la rete in fibra ottica per il test. Foto di Sylvia Zhang

Domande e Risposte

1) Qual è la vera innovazione di questo esperimento, al di là del tecnicismo? La vera innovazione è la compatibilità. Per la prima volta, si è dimostrato che non è necessario costruire da zero una costosissima infrastruttura per l’internet quantistico. Sfruttando un chip che integra segnali quantistici e classici, è possibile utilizzare la vasta rete di cavi in fibra ottica già posata. Questo abbatte la barriera economica e logistica, trasformando un progetto futuristico in un obiettivo tecnologicamente ed economicamente plausibile su scala metropolitana.

2) Perché questa notizia è così importante per il futuro di settori come l’IA e la ricerca farmaceutica? L’importanza è legata alla creazione di un tessuto connettivo per supercomputer. Oggi i computer quantistici sono macchine isolate. Un internet quantistico permetterebbe di collegarli in rete, condividendo e combinando la loro immensa potenza di calcolo. Per l’IA, significherebbe addestrare modelli di una complessità inaudita. Per la ricerca farmaceutica, vorrebbe dire simulare molecole a un livello di dettaglio impossibile oggi, accelerando la scoperta di nuovi farmaci e materiali.

3) Quali sono le ricadute pratiche a breve termine e il principale ostacolo rimasto? A breve termine, la ricaduta pratica è la possibilità di creare reti quantistiche sicure su scala metropolitana, collegando università, centri di ricerca e aziende high-tech all’interno di una città. Questo favorirebbe la collaborazione su progetti di calcolo avanzato. Il principale ostacolo per una rete globale rimane l’assenza di “ripetitori quantistici”: dispositivi capaci di rigenerare il segnale quantistico su lunghe distanze senza distruggerlo. Fino a quando questa tecnologia non sarà matura, l’internet quantistico resterà confinato a distanze limitate.