L’Italia lavora alla Internet quantistica: da Napoli una rete pilota per le comunicazioni del futuro

Dimenticate la semplice crittografia: la corsa alle comunicazioni quantistiche è la sfida tecnologica e industriale più strategica dei prossimi decenni, e in questa partita globale l’Italia gioca un ruolo da assoluta protagonista. Il segnale di partenza arriva da Napoli, dove il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione dell’Università Federico II è al centro di questa trasformazione. A guidare la ricerca verso un’infrastruttura di rete senza precedenti è Angela Sara Cacciapuoti, tra i massimi esperti internazionali del settore, impegnata a trasformare le leggi della fisica quantistica in architetture reali capaci di ridisegnare il futuro delle telecomunicazioni.

L’Europa, anche attraverso la Strategic Research and Industry Agenda (Sria), indica la comunicazione quantistica tra le tecnologie strategiche per il futuro. Lei ha contribuito, come esperta internazionale, alla definizione della roadmap europea dedicata a questo settore. Qual è oggi la sfida principale?

Quando si parla di comunicazioni quantistiche si pensa spesso alla sicurezza. La prospettiva, però, è più ampia: stiamo parlando della nascita di una nuova infrastruttura di rete che sfrutta le leggi e i fenomeni della meccanica quantistica. Oggi disponiamo già di dimostrazioni sperimentali e dei primi testbed di reti quantistiche basate sull’entanglement – il fenomeno più distintivo della meccanica quantistica -, una correlazione quantistica che può essere condivisa tra sistemi remoti e utilizzata come risorsa di rete. La sfida è passare da queste dimostrazioni a infrastrutture di comunicazione che funzionino con continuità, possano collegare più utenti e facciano dialogare tecnologie diverse. Ho contribuito alla roadmap europea sulle comunicazioni quantistiche proprio da questa prospettiva. L’Europa deve continuare a sviluppare le tecnologie oggi più mature, come quelle per la distribuzione quantistica delle chiavi (QKD), e allo stesso tempo preparare reti capaci di distribuire entanglement e metterlo a disposizione di servizi diversi. Questo significa evolvere da collegamenti quantistici progettati per servizi specifici verso reti quantistiche general-purpose, capaci in prospettiva di interconnettere processori quantistici, sensori e altri dispositivi quantistici. Per arrivarci non bastano i progressi dell’hardware: dobbiamo affrontare problemi di rete, capire come organizzare e progettare le funzioni che permettono alla rete di gestire questa risorsa e far interoperare dispositivi diversi. Per l’Europa è una questione strategica. Non basta produrre componentistica hardware di eccellenza: dobbiamo contribuire a definire le architetture, i protocolli e gli standard attraverso cui funzioneranno le future infrastrutture di comunicazione quantistica.

Quali sono le linee guida che emergono dalla Sria?

La roadmap considera sia le tecnologie già più vicine a un’adozione industriale come la distribuzione quantistica delle chiavi, sia le reti basate su entanglement, che in prospettiva potranno offrire servizi più generali e senza controparte classica. Il filo comune è portare queste tecnologie nelle condizioni in cui una rete dovrà operare davvero.

La prima indicazione è passare dal laboratorio all’infrastruttura reale. Ciò significa sperimentare la coesistenza tra comunicazioni quantistiche e classiche sulle infrastrutture di telecomunicazione già in uso, affrontando i problemi che emergono al di fuori delle condizioni controllate di un laboratorio. Gli esperimenti devono poi crescere di scala: dalle reti locali, per esempio all’interno di un data center quantistico, alle reti metropolitane e ai collegamenti tra città. Per le distanze maggiori, la roadmap considera anche l’integrazione tra collegamenti terrestri e satellitari.

La seconda è passare dal componente al sistema. Una rete quantistica non nascerà dalla prestazione eccezionale di un singolo dispositivo: deve integrare sorgenti, rivelatori, memorie, collegamenti, sistemi classici di controllo, software e protocolli. Il networking, quindi, non può essere semplicemente aggiunto alla fine, ma deve essere progettato insieme alla tecnologia quantistica.

La terza è passare dal prototipo all’ecosistema. Servono infrastrutture di prova aperte a ricercatori, imprese e startup,metodi condivisi per misurare le prestazioni, standardizzazione, competenze e una filiera industriale capace di trasformare l’eccellenza scientifica europea in tecnologia interoperabile e utilizzabile.

Il documento indica anche tappe concrete: verso il 2030, i primi piloti metropolitani di reti capaci di supportare più servizi; entro il 2035, sperimentazioni tra aree metropolitane distanti qualche centinaio di chilometri, con i primi utilizzatori. Sono obiettivi per reti pilota, non una data di arrivo per una Quantum Internet globale.

Anche lo European Research Council ha creduto in questa visione, finanziando il vostro progetto “Quantum-Native Communication Networks: from Quantum Message to Quantum Functioning”. Qual è il cuore della ricerca?

QnattyNet, il progetto ERC di cui sono Principal Investigator, nasce da una domanda molto semplice da formulare, ma radicale nelle sue conseguenze: se vogliamo costruire una Internet quantistica, perché dovremmo farla funzionare replicando i principi di progettazione della Internet classica? L’Internet che conosciamo è stata progettata attorno alle proprietà dell’informazione classica. Con la Quantum Internet cambia la natura stessa della risorsa che la rete deve sfruttare: l’entanglement, una correlazione quantistica senza controparte nel mondo classico. L’entanglement ha una natura non-locale, nel senso che la correlazione quantistica distribuita tra nodi distanti può essere modificata da operazioni locali effettuate su un singolo nodo. La sua qualità può degradarsi nel tempo e alcune operazioni la consumano. Per utilizzarla come risorsa di rete, i nodi devono quindi coordinarsi.

Da qui il cambio di prospettiva espresso dal titolo del progetto, from Quantum Message to Quantum Functioning:sfruttare le leggi e i fenomeni della meccanica quantistica non soltanto per ciò che la rete trasporta, ma anche per le funzionalità che le permettono di operare.

La nostra ricerca si concentra su tre aspetti intrinsecamente connessi. Il primo riguarda l’architettura della Quantum Internet: quali astrazioni e quali principi devono sostituire o estendere quelli della Internet classica quando l’entanglement diventa la risorsa di rete. Il secondo riguarda l’organizzazione dei protocolli: stiamo studiando architetture che vadano oltre una rigida organizzazione per livelli come quella TCP/IP usata nella Internet classica, consentendo di comporre dinamicamente funzionalità elementari in funzione di ciò che la rete deve realizzare. Il terzo riguarda il software, perché queste idee devono poter essere verificate sul campo. Per questo abbiamo sviluppato Q2NS, un simulatore open source per reti quantistiche costruito sull’infrastruttura ns-3, piattaforma di riferimento per le reti tradizionali. Q2NS permette di studiare congiuntamente dinamiche quantistiche e classiche: un passaggio essenziale, perché una rete quantistica non funziona in modo isolato, ma deve operare in perfetta simbiosi con la rete classica.

Quali sono le applicazioni concrete della Quantum Internet? E tra queste, che cos’è esattamente il teletrasporto quantistico?

Le applicazioni potenziali sono molteplici. La sicurezza delle comunicazioni è una delle prime, per esempio attraverso la distribuzione quantistica delle chiavi. Ma in prospettiva una rete quantistica potrà fare molto di più: far collaborare processori quantistici distanti allo stesso calcolo, come se fossero un’unica macchina; collegare sensori quantistici per ottenere misure ultra-precise; consentire l’accesso a distanza a risorse di calcolo quantistico preservando, con protocolli specifici, la totale riservatezza del dato. Sul calcolo quantistico distribuito c’è una differenza sostanziale rispetto al mondo classico: collegare calcolatori tradizionali significa sommarne le risorse; se invece si collegano processori quantistici attraverso una rete capace di distribuire entanglement, lo spazio computazionale cresce in modo esponenziale con il numero complessivo di qubit.

Il teletrasporto quantistico è uno dei protocolli più sorprendenti della Quantum Internet ed è proprio ciò che consente a processori remoti di cooperare. Il nome è suggestivo e può generare equivoci: non viene teletrasportata materia né spostato un oggetto fisico. Quello che viene trasferito è lo stato quantistico di un sistema. Per farlo, mittente e destinatario devono prima condividere una coppia di fotoni in entanglement; il mittente effettua una misura sul qubit da trasferire e sulla propria porzione della coppia, inviando poi il risultato al destinatario tramite un normale canale classico. Il destinatario usa quel risultato per ricostruire esattamente lo stato sul proprio qubit. Tutto questo è reso possibile dalla non-località dell’entanglement: un’operazione locale su un nodo modifica istantaneamente le correlazioni con il nodo remoto, indipendentemente dalla distanza.

Dal punto di vista del networking, l’aspetto chiave è rivoluzionario: il qubit che contiene il messaggio non viaggia fisicamente sui cavi della rete. La rete distribuisce l’entanglement necessario e trasmette i bit classici della misura.Nell’Internet classica i pacchetti devono attraversare fisicamente l’infrastruttura per raggiungere la destinazione; qui cambia ciò che chiediamo alla rete e di conseguenza cambia il problema ingegneristico. Una rete quantistica dovrà essere in grado di generare entanglement, instradarlo, verificarlo e consumarlo a comando.

Questa visione la stiamo già testando a Napoli. Con il testbed nazionale QuantumInternet.it abbiamo realizzato una rete pilota che distribuisce fotoni entangled attraverso la rete metropolitana che collega due campus della Federico II: Monte Sant’Angelo e la sede di Ingegneria di Via Claudio. Non usiamo fibre dedicate, ma le stesse fibre ottiche del cavo che trasporta quotidianamente il traffico dati dell’Ateneo: sono le condizioni reali in cui la tecnologia dovrà operare. Per coordinare gli esperimenti, insieme al professor Marcello Caleffi con cui ho fondato il gruppo di ricerca, abbiamo rilasciato in open source NeQOS, il sistema operativo distribuito con cui controlliamo i nodi quantistici del testbed. NeQOS compone i servizi al momento a partire da funzioni elementari e oggi coordina fino a 23 dispositivi quantistici e classici di quattro costruttori diversi. Il messaggio è chiaro: stiamo passando dalla dimostrazione teorica di un fenomeno fisico a un’infrastruttura che si può misurare, governare e utilizzare.

L’articolo L’Italia lavora alla Internet quantistica: da Napoli una rete pilota per le comunicazioni del futuro è tratto da Forbes Italia.