È arrivata l'Internet quantistica (o forse no) / The quantum Internet has arrived (or maybe not)

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

 Illustrazione di qubit integrati in un computer quantistico. / Illustration of qubits integrated into a quantum computer

Le reti che sfruttano fenomeni della fisica quantistica come l'entanglement e il teletrasporto potrebbero garantire un balzo in avanti in termini di capacità di calcolo, sicurezza e opportunità di ricerca scientifica. Ma nonostante i notevoli progressi, ancora non è facile prevedere quando le reti quantistiche diventeranno realtà.

Prima di diventare una fisica teorica, Stephanie Wehner era una hacker. Come la maggior parte delle persone in quell'ambiente, ha imparato tutto da sola fin dalla giovane età. A 15 anni, aveva speso i suoi risparmi per acquistare il suo primo modem analogico da usare a casa dei suoi genitori a Würzburg, in Germania. E a vent'anni aveva già una reputazione sufficiente a ottenere un lavoro ad Amsterdam, presso un provider Internet olandese gestito da altri hacker.

Qualche anno dopo, mentre lavorava come network-security specialist, Wehner si era iscritta all'università. Lì aveva imparato che la meccanica quantistica offre qualcosa che manca disperatamente alle reti attuali: il potenziale per rendere le comunicazioni inviolabili. Ora sta trasformando la sua vecchia ossessione in una nuova aspirazione. Vuole reinventare Internet.

La capacità delle particelle quantistiche di vivere in stati indefiniti – come il proverbiale gatto di Schrödinger, sia vivo sia morto – è usata da anni per migliorare la crittografia dei dati. Ma Wehner, ora alla Delft University of Technology, nei Paesi Bassi, e altri ricercatori sostengono che la meccanica quantistica potrebbe essere usata per fare molto di più, sfruttando la misteriosa capacità della natura di collegare, grazie all'entanglement, 

oggetti lontani tra loro e teletrasportare informazioni da uno all'altro. All'inizio tutto sembrava molto teorico, dice Wehner. Ora "c'è la speranza di realizzarlo".

I sostenitori affermano che un internet di questo tipo potrebbe aprire intero universo di applicazioni che non sono possibili con le comunicazioni classiche, come collegare tra loro computer quantistici, costruire telescopi a risoluzione elevatissima usando osservatori molto distanti tra lodo e anche definire nuovi metodi per rilevare le onde gravitazionali. Alcuni la vedono come una cosa che un giorno sostituirà Internet nella sua forma attuale. "Personalmente, ritengo che in futuro la maggior parte delle comunicazioni, se non addirittura tutte, saranno di tipo quantistico", afferma Anton Zeilinger fisico dell'Università di Vienna, che nel 1997 ha effettuato uno dei primi esperimenti sul teletrasporto quantistico.

Un gruppo di Delft ha già iniziato a costruire la prima vera rete quantistica, che collegherà quattro città dei Paesi Bassi. Il progetto, che dovrebbe concludersi nel 2020, potrebbe essere la versione quantistica di ARPANET, una rete di comunicazione sviluppata dalle forze armate statunitensi alla fine degli anni sessanta che ha aperto la strada all'Internet di oggi.

Wehner, che è coinvolta nel progetto, sta anche coordinando un progetto europeo più ampio, chiamato Quantum Internet Alliance, che mira a estendere l'esperimento olandese su scala continentale. Come parte di questo processo, lei e altri stanno cercando di riunire scienziati informatici, ingegneri ed esperti di sicurezza della rete per progettare la futura Internet quantistica.

Molti dettagli tecnici devono ancora essere chiariti, e alcuni ricercatori sottolineano che è troppo presto per dire esattamente quanto potrebbe offrire un'Internet quantistica. Ma pensando in primo luogo alla sicurezza, Wehner spera di evitare le vulnerabilità che Internet ha ereditato da ARPANET. "Forse avremo la possibilità di fare tutto bene fin dall'inizio", afferma.

Chiavi quantistiche
Le prime proposte relative alle modalità di comunicazione quantistica risalgono agli anni settanta. Stephen Wiesner, allora giovane fisico della Columbia University di New York, intuì il potenziale di uno dei principi più basilari della meccanica quantistica, secondo cui è impossibile misurare una proprietà di un sistema senza cambiarlo.

Wiesner suggerì che le informazioni avrebbero potuto essere codificate negli stati di oggetti come atomi isolati, i cui "spin" possono puntare verso l'alto o verso il basso – come 0 e 1 di un bit classico – ma possono anche trovarsi in entrambi gli stati contemporaneamente. Queste unità di informazione quantistica sono ora comunemente chiamate bit quantistici, o qubit. Wiesner sottolineò che poiché le proprietà di un qubit non possono essere misurate senza cambiare il suo stato, è anche impossibile farne copie esatte o "cloni". Diversamente, qualcuno potrebbe estrarre informazioni sullo stato del qubit originale senza influenzarlo, semplicemente misurando il suo clone. In seguito questo divieto divenne noto come teorema di no-cloning quantistico e si rivelò un vantaggio per la sicurezza, perché un hacker non può estrarre informazioni quantistiche senza lasciare traccia.

Ispirati da Wiesner, nel 1984 Charles Bennett, informatico dell'IBM a Yorktown Heights, New York, e il suo collaboratore Gilles Brassard, dell'Università di Montreal, in Canada, elaborarono uno schema ingegnoso con cui due utenti possono generare una chiave di crittografia inviolabile, che solo loro conoscono. Lo schema dipende dal fatto che la luce può essere polarizzata, in modo che le onde elettromagnetiche oscillino in un piano orizzontale o verticale. Un utente converte una sequenza casuale di 1 e 0 in una chiave quantistica codificata in questi due stati di polarizzazione e la invia in streaming a un'altra persona. In una sequenza di passaggi, il destinatario misura la chiave e stabilisce che la trasmissione non è stata disturbata dalle misurazioni di uno spione. Fiduciosi nella sicurezza della chiave, le due parti possono quindi crittare qualsiasi messaggio costituito da bit classici, per esempio un'immagine, e inviarlo come se fosse un qualsiasi altro messaggio crittografato sull'Internet convenzionale o qualsiasi altro canale.

Nel 1989, Bennett guidò il gruppo che per primo dimostrò sperimentalmente questa "distribuzione quantistica di chiavi" (quantum key distribution, QKD). Oggi, i dispositivi QKD che usano schemi simili sono disponibili in commercio e generalmente sono venduti a organizzazioni finanziarie o governative. ID Quantique, per esempio, un'azienda fondata nel 2001 a Ginevra, in Svizzera, ha costruito un collegamento quantistico che ha protetto i risultati delle elezioni svizzere per oltre dieci anni.

Schema dello scambio di immagini tra Cina e Austria tramite il satellite Micius./ Diagram of the exchange of images between China and Austria through the Micius satellite

L'anno scroso, il satellite cinese Micius, nato dall'idea di un  fisico Pan Jianwei dell'Università cinese di Scienza e Tecnologia a Hefei, ha effettuato alcune delle dimostrazioni più evidenti dell'approccio. Usando una variante del protocollo di Bennett e Brassard, il satellite ha creato due chiavi, poi ne ha inviata una a una stazione di terra a Pechino e un'altra a Vienna mentre ci passava sopra. Un computer di bordo poi ha combinato le due chiavi segrete per crearne una nuova, che ha trasmesso con un canale classico. Dotati delle loro chiavi private, i gruppi di Vienna e di Pechino potevano decifrare quella chiave combinata essenzialmente sottraendo la propria, e conoscere così la chiave segreta dell'altro. Con entrambe le chiavi, una squadra poteva decodificare una trasmissione che l'altra squadra aveva crittografato con la propria chiave. Lo scorso settembre, Pan e Zeilinger hanno usato questo approccio per stabilire la prima videochat intercontinentale protetta in parte con una chiave quantistica.

I satelliti come Micius potrebbero contribuire ad affrontare una delle principali sfide per rendere sicure le comunicazioni quantistiche: la distanza. I fotoni necessari per creare una chiave di cifratura possono essere assorbiti dall'atmosfera o, nel caso delle reti terrestri, da una fibra ottica che rende impraticabile la trasmissione quantistica dopo diverse decine di chilometri.

Poiché gli stati quantistici non possono essere copiati, non è possibile inviare più copie di un qubit nella speranza che ne arrivi almeno una. Al momento, quindi, la creazione di collegamenti QKD a lunga distanza richiede la costruzione di "nodi fidati" che agiscano da intermediari. Se una persona accedesse illecitamente a un nodo fidato, che gestisce le chiavi nelle loro forme sia quantistiche sia classiche, sarebbe in grado di copiare le chiavi senza essere rilevato – e così, naturalmente, potrebbe farlo il governo o l'azienda che gestisce il nodo. Questo vale sia per i nodi fidati a terra sia per Micius. “Il satellite sa tutto", dice Pan. Ma i satelliti in transito potrebbero ridurre il numero di nodi fidati necessari per collegare punti distanti.

Pan sostiene che i nodi fidati sono già un passo avanti per alcune applicazioni, poiché riducono il numero di punti in cui una rete è vulnerabile agli attacchi. Lo scienziato ha anche diretto la creazione dell'estesa dorsale di comunicazione quantistica tra Pechino e Shanghai. Lanciata a settembre, essa connette quattro città con 32 nodi fidati usando più di 2000 chilometri di fibra ottica e attualmente è testata per comunicazioni bancarie e commerciali, come per esempio il collegamento ai data center del gigante di shopping on line Alibaba, dice Pan.

Connessioni quantistiche
Ma le reti che coinvolgono i nodi fidati sono quantistiche solo in parte. La fisica quantistica ha un ruolo solo nel modo in cui i nodi creano la chiave di crittografia; la successiva cifratura e trasmissione delle informazioni è del tutto classica. Una vera e propria rete quantistica sarebbe in grado di sfruttare entanglement e teletrasporto per trasmettere informazioni quantistiche su lunghe distanze, senza la necessità di nodi fidati vulnerabili.

Una delle principali motivazioni per la costruzione di reti simili è permettere ai computer quantistici di dialogare tra loro, sia tra paesi diversi sia in una stessa stanza. Il numero di qubit che possono essere inseriti in un sistema informatico potrebbe essere limitato, per cui il collegamento in rete dei sistemi potrebbe aiutare i fisici a incrementarlo. “Al momento è onesto dire che probabilmente saremo in grado di costruire un computer quantistico con forse un paio di centinaia di qubit", dice Mikhail Lukin, fisico della Harvard University a Cambridge, in Massachusetts. “Ma per andare oltre, l'unico modo è usare questo approccio modulare, che coinvolge la comunicazione quantistica."

Su scala più ampia, i ricercatori immaginano un cloud per il calcolo quantistico, con macchine altamente sofisticate accessibili attraverso un'Internet quantistica dalla maggior parte dei laboratori universitari. “La cosa più interessante è che anche questo calcolo quantistico su cloud è sicuro", dice Ronald Hanson, fisico sperimentale della Delft. “Le persone al server non sono in grado di sapere che tipo di programma stai eseguendo e quali dati hai".

I ricercatori hanno presentato tante altre proposte di applicazioni per Internet – come aste, elezioni, negoziati contrattuali e scambi commerciali rapidi – che potrebbero sfruttare i fenomeni quantistici per essere più veloci o più sicuri rispetto alle loro controparti classiche.

Ma l'impatto più grande di un'Internet quantistica potrebbe essere sulla scienza stessa. Secondo alcuni ricercatori, la sincronizzazione degli orologi usando l'entanglement potrebbe migliorare la precisione delle reti di navigazione simili al GPS da metri a millimetri. Inoltre, Lukin e altri hanno proposto di usare l'entanglement per combinare orologi atomici distanti tra loro in un singolo orologio con una precisione notevolmente migliorata, che, sempre secondo Lukin, potrebbe portare a nuovi modi di rilevare le onde gravitazionali, per esempio. In astronomia, le reti quantistiche potrebbero collegare telescopi ottici distanti migliaia di chilometri, in modo da dare loro la risoluzione di una singola parabola che copre la stessa distanza. Questo processo, chiamato interferometria a base molto ampia (very long baseline interferometry), è applicato di routine nella radioastronomia, ma il funzionamento alle frequenze ottiche richiede una precisione temporale che attualmente è fuori portata.

Sicurezza fantasmatica

Nell'ultimo decennio circa, gli esperimenti pionieristici di Christopher Monroe, fisico dell'Università del Maryland a College Park, e altri hanno dimostrato i fondamentali necessari alla costruzione di una rete veramente quantistica, come teletrasportare le informazioni codificate in qubit da un luogo a un altro (si veda l'infografica di "Nature").

Per vedere come funziona il teletrasporto (proposto anche da Bennett e Brassard), immaginiamo di avere due utenti: Alice e Bob. Alice ha un qubit, che potrebbe essere uno ione intrappolato o un altro sistema quantistico e desidera trasferire a Bob le informazioni in esso memorizzate. Per un colpo di fortuna, Alice e Bob entrano in possesso di due particelle "proxy" – anch'esse qubit – che sono entangled tra loro. Se Alice può stabilire un entanglement tra la sua particella proxy col qubit, allora per estensione il qubit sarà anche entangled con la particella di Bob. Per fare ciò, Alice esegue un particolare tipo di misurazione congiunta sulle sue due particelle. Poi condivide i risultati della misurazione (che sono dati ordinari, classici) con Bob. Per completare il processo di teletrasporto, Bob usa poi queste informazioni per manipolare la sua particella in modo che finisca nello stesso stato in cui era originariamente il qubit di Alice.

Ai fini pratici, non importa come Alice e Bob ottengano le particelle proxy entangled. Potrebbero essere singoli atomi consegnati in una valigetta, per esempio, o fotoni trasmessi alla coppia da un terzo soggetto. (Lo scorso anno uno degli esperimenti di Micius ha inviato coppie entangled di fotoni a due stazioni terrestri in Cina su una distanza record di oltre 1200 chilometri.) Alice e Bob potrebbero anche generare un entanglement tra i qubit in loro possesso, inviando fotoni per interagire in una terza posizione.

La bellezza del teletrasporto quantistico è che le informazioni quantistiche non viaggiano tecnicamente lungo la rete. I fotoni che viaggiano sono usati solo per stabilire un collegamento tra Alice e Bob in modo che l'informazione quantistica possa essere trasferita. Se una coppia di fotoni entangled non riesce a stabilire una connessione, lo farà un'altra coppia. Ciò significa che
se anche si dovessero perdere i fotoni, non si perderebbe l'informazione quantistica.

Collega e ripeti
Un'Internet quantistica sarebbe in grado di generare entanglement su richiesta tra due utenti qualunque. I ricercatori ritengono che questo implicherà l'invio di fotoni attraverso reti in fibra ottica e collegamenti satellitari. Ma collegare utenti distanti richiederà una tecnologia in grado di estendere la portata dell'entanglement, ritrasmettendolo da utente a utente e lungo punti intermedi.

Nel 2001, Lukin e collaboratori hanno proposto un modo per far funzionare un ripetitore quantistico del genere. Il loro schema prevede l'impiego di piccoli computer quantistici, che possono memorizzare qubit ed effettuare semplici operazioni su di essi, per generare un entanglement tra un qubit in una stazione a monte e uno a valle. Alla fine, l'applicazione ripetuta di questo processo di "scambio di entanglement" lungo il percorso di una rete produrrebbe un entanglement tra due utenti.

Nel 2015, Hanson e collaboratori hanno mostrato come costruire un pezzo di una rete quando hanno collegato due qubit realizzati con impurità di un atomo in cristalli di diamante e separati da una distanza di 1,3 chilometri. I fotoni emessi dai due qubit viaggiavano verso una stazione intermedia, dove poi interagivano, stabilendo un entanglement. "Questo dimostra che si può veramente stabilire un entanglement robusto e affidabile tra due elaboratori d'informazione quantistica distanti", dice Seth Lloyd, fisico del Massachusetts Institute of Technology.

I ricercatori stanno studiando altri modi per costruire e manipolare i qubit, compreso l'uso di singoli ioni sospesi nel vuoto – di cui Monroe e altri sono i pionieri – e di sistemi che accoppiano atomi e fotoni che rimbalzano tra due specchi all'interno di una cavità.

Illustrazione del teletrasporto: coppie di particelle a distanza di possono scambiare informazioni / Teleporter illustration: pairs of distant particles can exchange information

Come il sistema di diamanti ideato da Hansen, questi qubit potrebbero essere usati per costruire sia ripetitori quantistici sia computer quantistici. Fortunatamente per le persone che sperano di aumentare le comunicazioni quantistiche, i requisiti per un ripetitore possono essere meno stringenti rispetto a quelli per un computer quantistico completo. Iordanis Kerenidis, un ricercatore che si occupa di calcolo quantistico all'Université Paris Diderot, ha proposto questa argomentazione in un seminario sui ripetitori quantistici a Seefeld, in Austria, lo scorso settembre. "Se dici ai fisici sperimentali che hai bisogno di 1000 qubit, ridono", ha detto. "Se dici loro che ne hai bisogno dieci... beh, ridono meno."

La prospettiva di creare un'Internet quantistica sta diventando un problema di ingegneria dei sistemi. "Da un punto di vista sperimentale, sono state dimostrate varie unità elementari” per le reti quantistiche, afferma Tracy Northup, fisico dell'Università di Innsbruck, Austria, il cui gruppo lavora su qubit in cavità e fa parte della Quantum Internet Alliance di Wehner. "Ma mettendole insieme in un unico luogo, tutti vediamo quanto sia difficile", afferma Northup.

Per il momento, il progetto europeo di Wehner è ancora in una fase iniziale e sta cercando finanziamenti pubblici e partner privati. Nel frattempo, la rete dimostrativa olandese, guidata da Hanson, è andata avanti. Hanson e colleghi hanno migliorato la velocità dei loro sistemi, che nell'esperimento del 2015 hanno ottenuto 245 coppie entangled di qubit per un tempo equivalente a circa nove giorni. Un'altra sfida cruciale è stata convertire in modo affidabile i fotoni dalle lunghezze d'onda visibili che escono dai qubit a diamante a quelli più ampie, nell'infrarosso, che possono viaggiare bene lungo le fibre ottiche; questo è un compito arduo, perché il nuovo fotone deve ancora trasportare le informazioni quantistiche di quello vecchio, ma senza la possibilità di clonarlo. All'inizio di quest'anno, Hanson e colleghi hanno raggiunto questo risultato facendo interagire i fotoni con un fascio laser di lunghezza d'onda più grande. Questa tecnica permetterebbe ai qubit di essere collegati su distanze di decine di chilometri su fibra.

Il gruppo di Hanson sta ora costruendo un collegamento tra Delft e L'Aia, a dieci chilometri di distanza. Entro il 2020, i ricercatori sperano di aver collegato fino a quattro città olandesi, con una stazione in ciascun sito che funziona come un ripetitore quantistico. In caso di successo, il progetto sarebbe la prima vera rete di teletrasporto quantistico al mondo. Il gruppo mira ad aprirlo ad altri gruppi interessati a effettuare esperimenti di comunicazione quantistica da remoto, proprio come Quantum Experience di IBM, che permette a utenti in remoto di accedere a un computer quantistico rudimentale.

La rete potrebbe essere un banco di prova per i ricercatori che sperano di risolvere alcuni dei difetti di Internet, non ultima la facilità con cui gli utenti possono falsificare o rubare le identità. "L'idea di poter entrare in una rete senza un'identità certa è un problema degli inizi", ha dichiarato all'incontro di Seefeld Robert Broberg, ingegnere di rete per CISCO, un colosso delle apparecchiature per le telecomunicazioni. Wehner e altri hanno proposto tecniche quantistiche che permetterebbero agli utenti di dimostrare la propria identità certificando di possedere il codice segreto corretto (una serie di bit classici) senza mai trasmetterlo. Utente e server usano il codice per creare una sequenza di qubit e inviarli a una "scatola nera" che si trova in mezzo. La scatola nera – che potrebbe essere, per esempio, un bancomat – può quindi confrontare le due sequenze per vedere se corrispondono, senza mai conoscere il codice sottostante.

Ma alcuni ricercatori mettono in guardia dal sopravvalutare la portata potenziale della tecnologia. "L'Internet di oggi non sarà mai del tutto quantistica, non più di quanto saranno del tutto quantistici i computer", dice Nicolas Gisin, fisico dell'Università di Ginevra e co-fondatore di ID Quantique. Inoltre molte delle cose che si sperano di ottenere con le reti quantistiche potrebbero essere fatte con tecnologie più convenzionali. "A volte, all'inizio qualcosa sembra una grande idea, poi però si capisce che può essere realizzata facilmente senza effetti quantistici", dice Norbert Lütkenhaus, fisico dell'Università di Waterloo, in Canada, che sta aiutando a sviluppare gli standard per la futura Internet quantistica.

Solo il tempo potrà dire se la promessa di un'Internet quantistica si concretizzerà. Per quanto ne sappiamo, il teletrasporto è un fenomeno che, sebbene fisicamente possibile, non avviene in natura, dice Zeilinger. "Quindi tutto questo è nuovo per l'umanità. Potrebbe volerci del tempo".

La familiarità di Wehner con la fisica e la sicurezza della rete l'ha resa un punto di riferimento per le persone del settore. E dopo aver lavorato molto sulla teoria quantistica di base, sta cogliendo l'opportunità di plasmare queste reti del futuro. "Per me – dice – è davvero il compimento di un ciclo".

ENGLISH

Networks that exploit quantum physics phenomena such as entanglement and teleportation could guarantee a leap forward in terms of computing capacity, security and opportunities for scientific research. But despite considerable progress, it is still not easy to predict when quantum networks will become reality.

Before becoming a theoretical physicist, Stephanie Wehner was a hacker. Like most people in that environment, she learned everything by herself from an early age. At the age of 15, he had spent his savings to buy his first analogue modem to use at his parents' home in Würzburg, Germany. And at the age of twenty, he already had a reputation for getting a job in Amsterdam, at a Dutch Internet provider run by other hackers.

A few years later, while working as a network-security specialist, Wehner enrolled at the university. There he had learned that quantum mechanics offers something that desperately lacks current networks: the potential to make inviolable communications. Now he is transforming his old obsession into a new aspiration. He wants to reinvent the Internet.

The ability of quantum particles to live in undefined states - like the proverbial Schrödinger cat, both alive and dead - has been used for years to improve data encryption. But Wehner, now at Delft University of Technology in the Netherlands, and other researchers argue that quantum mechanics could be used to do much more, exploiting the mysterious nature's ability to connect, thanks to the entanglement,

objects far away from each other and teleport information from one to another. At first everything seemed very theoretical, says Wehner. Now "there is hope of achieving it".

Advocates say that such an internet could open up a whole universe of applications that are not possible with classical communications, how to connect quantum computers with each other, build very high resolution telescopes using very distant observers and also define new methods to detect gravitational waves. Some see it as something that will one day replace the Internet in its current form. "Personally, I think that in the future most communications, if not all, will be quantum," says Anton Zeilinger physicist at the University of Vienna, who in 1997 carried out one of the first experiments on quantum teleportation.

A Delft group has already started building the first real quantum network, which will connect four cities in the Netherlands. The project, which should end in 2020, could be the quantum version of ARPANET, a communications network developed by the US armed forces in the late 1960s that paved the way for today's Internet.

Wehner, who is involved in the project, is also coordinating a broader European project, called the Quantum Internet Alliance, which aims to extend the Dutch experiment on a continental scale. As part of this process, she and others are trying to bring together computer scientists, engineers and network security experts to design the future quantum Internet.

Many technical details have yet to be clarified, and some researchers point out that it is too early to say exactly how much a Quantum Internet could offer. But thinking first of all about security, Wehner hopes to avoid the vulnerabilities that the Internet has inherited from ARPANET. "Perhaps we will have the chance to do everything right from the start," he says.

Quantum keys

The first proposals relating to the methods of quantum communication date back to the seventies. Stephen Wiesner, then a young physicist at Columbia University in New York, sensed the potential of one of the most basic principles of quantum mechanics, according to which it is impossible to measure a property of a system without changing it.

Wiesner suggested that information could be coded in the states of objects as isolated atoms, whose "spins" can point up or down - like 0 and 1 of a classic bit - but they can also be in both states at the same time. These quantum information units are now commonly called quantum bits, or qubits. Wiesner pointed out that because the properties of a qubit can not be measured without changing its state, it is also impossible to make exact copies or "clones". Otherwise, someone could extract information about the status of the original qubit without influencing it, simply by measuring its clone. Later this ban became known as the quantum no-cloning theorem and proved to be an advantage for safety, because a hacker can not extract quantum information without leaving a trace.

Inspired by Wiesner, in 1984 Charles Bennett, IBM computer scientist in Yorktown Heights, New York, and his collaborator Gilles Brassard, of the University of Montreal, Canada, developed an ingenious scheme with which two users can generate an encryption key inviolable, that only they know. The scheme depends on the fact that the light can be polarized, so that the electromagnetic waves oscillate in a horizontal or vertical plane. A user converts a random sequence of 1 and 0 into a quantum key encoded in these two polarization states and sends it to another person. In a sequence of steps, the recipient measures the key and establishes that the transmission was not disturbed by the measurements of a spy. Confident in the security of the key, the two parties can then encrypt any message consisting of classic bits, for example an image, and send it as if it were any other encrypted message on the conventional Internet or any other channel.

In 1989, Bennett led the group that first experimentally demonstrated this "quantum key distribution" (QKD). Today, QKD devices that use similar schemes are commercially available and are generally sold to financial or governmental organizations. ID Quantique, for example, a company founded in 2001 in Geneva, Switzerland, built a quantum link that protected the results of the Swiss elections for over a decade.

This year, the Chinese satellite Micius, born from the idea of ​​a physicist Pan Jianwei of the Chinese University of Science and Technology in Hefei, carried out some of the most obvious demonstrations of the approach. Using a variant of the Bennett and Brassard protocol, the satellite created two keys, then sent one to a ground station in Beijing and another to Vienna as it passed over it. An on-board computer then combined the two secret keys to create a new one, which it broadcast with a classic channel. Equipped with their private keys, the Vienna and Peking groups could decipher the combined key essentially by subtracting their own, and thus know the other's secret key. With both keys, one team could decode a transmission that the other team had encrypted with their own key. Last September, Pan and Zeilinger used this approach to establish the first intercontinental videochat protected in part by a quantum key.

Satellites like Micius could help address one of the main challenges of securing quantum communications: distance. The photons needed to create an encryption key can be absorbed by the atmosphere or, in the case of terrestrial networks, by an optical fiber that makes quantum transmission impractical after several tens of kilometers.

Since quantum states can not be copied, it is not possible to send multiple copies of a qubit in the hope that at least one will arrive. So, at the moment, the creation of long distance QKD connections requires the construction of "trusted nodes" that act as intermediaries. If a person unlawfully accesses a trusted node, which handles keys in both their classic and quantum forms, it would be able to copy the keys without being detected - and thus, of course, the government or the company managing the node could do so. . This applies to both the trusty nodes on the ground and for Micius. "The satellite knows everything," says Pan. But satellites in transit could reduce the number of trusted nodes needed to connect distant points.

Pan argues that trusted nodes are already a step ahead for some applications, since they reduce the number of points where a network is vulnerable to attack. The scientist also directed the creation of the extensive backbone of quantum communication between Beijing and Shanghai. Launched in September, it connects four cities with 32 trusted nodes using more than 2,000 kilometers of optical fiber and is currently tested for banking and commercial communications, such as the link to the Alibaba online shopping giant's data center, says Pan.

Quantum connections

But networks that involve trusted nodes are only partly quantum. Quantum physics plays a role only in the way that nodes create the cryptographic key; the subsequent encryption and transmission of information is completely classical. A real quantum network would be able to exploit entanglement and teleportation to transmit quantum information over long distances, without the need for vulnerable trusted nodes.

One of the main reasons for building similar networks is to allow quantum computers to communicate with each other, both between different countries and in the same room. The number of qubits that can be placed in a computer system could be limited, so the networking of systems could help physicists increase it. "Right now it's fair to say that we'll probably be able to build a quantum computer with maybe a couple of hundred qubits," says Mikhail Lukin, a Harvard University physicist in Cambridge, Massachusetts. "But to go further, the only way it's using this modular approach, which involves quantum communication. "

On a larger scale, researchers imagine a cloud for quantum computing, with highly sophisticated machines accessible through a quantum Internet from most university laboratories. "The most interesting thing is that this quantum cloud computing is safe," says Ronald Hanson, Delft's experimental physicist. "People at the server are not able to know what kind of program you're running and what data you have."

Researchers have put forward many other applications for Internet applications - such as auctions, elections, contract negotiations and rapid trade - that could exploit quantum phenomena to be faster or safer than their classic counterparts.

But the biggest impact of a quantum Internet could be on science itself. According to some researchers, synchronizing clocks using entanglement could improve the accuracy of GPS-like navigation networks from meters to millimeters. In addition, Lukin and others have proposed to use entanglement to combine atomic clocks distant from each other in a single clock with significantly improved accuracy, which, again according to Lukin, could lead to new ways of detecting gravitational waves, for example. In astronomy, quantum networks could connect optical telescopes thousands of kilometers apart, in order to give them the resolution of a single parabola that covers the same distance. This process, called very long baseline interferometry, is routinely applied in radio astronomy, but operation at optical frequencies requires temporal accuracy that is currently out of reach.

Ghost security

In the last decade or so, the pioneering experiments of Christopher Monroe, a University of Maryland physicist at College Park, and others have demonstrated the fundamentals needed to build a truly quantum network, such as teleporting the encoded information into qubits from one place to another. other (see the "Nature" infographic).

To see how teleportation works (also proposed by Bennett and Brassard), let's imagine we have two users: Alice and Bob. Alice has a qubit, which could be a trapped ion or another quantum system and wants to transfer the information stored in it to Bob. By a stroke of luck, Alice and Bob come into possession of two "proxy" particles - also qubits - that are entangled with each other. If Alice can establish an entanglement between her proxy particle and the qubit, then by extension the qubit will also be entangled with the Bob particle. To do this, Alice performs a particular type of joint measurement on her two particles. Then he shares the measurement results (which are ordinary, classical data) with Bob. To complete the teleportation process, Bob then uses this information to manipulate his particle so that it ends up in the same state as Alice's qubit.

For practical purposes, it does not matter how Alice and Bob get entangled proxy particles. They could be single atoms delivered in a case, for example, or photons transmitted to the couple by a third subject. (Last year one of Micius' experiments sent entangled pairs of photons to two terrestrial stations in China over a record distance of over 1200 kilometers.) Alice and Bob could also generate an entanglement among the qubits they own, sending photons to interact in a third position.

The beauty of quantum teleportation is that quantum information does not technically travel along the network. Traveling photons are used only to establish a link between Alice and Bob so that quantum information can be transferred. If a pair of entangled photons can not establish a connection, another pair will do it. This means that

if the photons were to be lost, the quantum information would not be lost.

Connect and repeat

A quantum Internet would be able to generate entanglement on demand between any two users. The researchers believe this will involve sending photons through fiber-optic networks and satellite links. But connecting distant users will require technology that extends the scope of the entanglement, retransmitting it from user to user and along intermediate points.

In 2001, Lukin and co-workers proposed a way to make such a quantum repeater work. Their scheme involves the use of small quantum computers, which can store qubits and perform simple operations on them, to generate an entanglement between a qubit in an upstream station and a downstream station. In the end, the repeated application of this process of "exchange of entanglements" along the path of a network would produce an entanglement between two users.

In 2015, Hanson and collaborators showed how to build a piece of a network when they connected two qubits made with impurities of an atom in diamond crystals and separated by a distance of 1.3 kilometers. The photons emitted by the two qubits traveled to an intermediate station, where they then interacted, establishing an entanglement. "This shows that we can truly establish a robust and reliable entanglement between two distant quantum information processors," says Seth Lloyd, a physicist at the Massachusetts Institute of Technology.

Researchers are studying other ways to construct and manipulate qubits, including the use of single ions suspended in the void - of which Monroe and others are the pioneers - and of systems that couple atoms and photons that bounce between two mirrors inside a cavity.

Researchers are studying other ways to construct and manipulate qubits, including the use of single ions suspended in the void - of which Monroe and others are the pioneers - and of systems that couple atoms and photons that bounce between two mirrors inside a cavity.

Like the diamond system devised by Hansen, these qubits could be used to build both quantum and quantum computers. Fortunately for people hoping to increase quantum communications, the requirements for a repeater may be less stringent than those for a full quantum computer. Iordanis Kerenidis, a researcher dealing with quantum computation at the Université Paris Diderot, proposed this argument in a seminar on quantum repeaters in Seefeld, Austria, last September. "If you tell the experimental physicists that you need 1000 qubits, they laugh," he said. "If you tell them you need ten ... well, they laugh less."

The prospect of creating a quantum Internet is becoming a system engineering problem. "From an experimental point of view, various elementary units have been demonstrated" for quantum networks, says Tracy Northup, physicist at the University of Innsbruck, Austria, whose group works on qubits in cavities and is part of the Quantum Internet Alliance of Wehner "But putting them together in one place, we all see how difficult it is," says Northup.

For the time being, Wehner's European project is still at an early stage and is seeking public funding and private partners. Meanwhile, the Dutch demonstration network, led by Hanson, has moved on. Hanson and his colleagues improved the speed of their systems, which in the 2015 experiment obtained 245 entangled pairs of qubits for a time equivalent to about nine days. Another crucial challenge was to reliably convert photons from the visible wavelengths coming out of the diamond qubits to the wider ones in the infrared, which can travel well along the optical fibers; this is a difficult task, because the new photon still has to carry the quantum information of the old one, but without the possibility of cloning it. Earlier this year, Hanson and his colleagues achieved this result by interacting photons with a larger wavelength laser beam. This technique would allow the qubits to be connected over distances of tens of kilometers on fiber.

Hanson's group is now building a link between Delft and The Hague, ten kilometers away. By 2020, researchers hope to have connected up to four Dutch cities, with one station at each site functioning as a quantum repeater. If successful, the project would be the first true quantum teleportation network in the world. The group aims to open it to other groups interested in carrying out remote quantum communication experiments, just like IBM's Quantum Experience, which allows remote users to access a rudimentary quantum computer.

The network could be a testing ground for researchers hoping to solve some of the Internet flaws, not least the ease with which users can falsify or steal identities. "The idea of ​​being able to enter a network without a certain identity is a problem at the beginning," Robert Broberg, a network engineer for CISCO, a telecommunications equipment giant, said at the Seefeld meeting. Wehner and others have proposed quantum techniques that would allow users to prove their identity by certifying that they have the correct secret code (a series of classic bits) without ever transmitting it. User and server use the code to create a sequence of qubits and send them to a "black box" in between. The black box - which could be, for example, an ATM - can then compare the two sequences to see if they match, without ever knowing the underlying code.

But some researchers warn against overestimating the potential scope of technology. "Today's Internet will never be completely quantum, no more than computers will be quantum", says Nicolas Gisin, physicist at the University of Geneva and co-founder of ID Quantique. Furthermore, many of the things hoped to achieve with quantum networks could be done with more conventional technologies. "Sometimes, at first something seems like a great idea, but then we understand that it can be easily done without quantum effects," says Norbert Lütkenhaus, physicist at the University of Waterloo, Canada, who is helping to develop standards for future quantum Internet.

Only time can tell if the promise of a quantum Internet will materialize. As far as we know, teleportation is a phenomenon that, although physically possible, does not happen in nature, says Zeilinger. "So all of this is new to humanity, it could take some time".

Wehner's familiarity with physics and network security has made it a point of reference for people in the industry. And after working hard on basic quantum theory, it is seizing the opportunity to shape these networks of the future. "For me - he says - it really is the fulfillment of a cycle".

Da:

http://www.lescienze.it/news/2018/02/17/news/internet_quantistica-3867622/?ref=nl-Le-Scienze_23-02-2018