Come le soluzioni di misura, collaudo e crittografia di rete rendono possibili le nuove applicazioni della tecnologia quantistica

Sia nel settore pubblico che in quello privato si stanno investendo miliardi nelle tecnologie quantistiche. Le tappe della progressiva evoluzione delle tecnologie quantistiche riportate dai media si susseguono rapidamente. Applicazioni visionarie nell’ambito della tecnologia dei sensori, del calcolo e delle comunicazioni sembrano ormai vicinissime. Le soluzioni di misura e collaudo (T&M) ad alta precisione di Rohde & Schwarz consentono alle istituzioni scientifiche, industriali e pubbliche di svolgere prove specifiche su singoli sistemi quantistici. Inoltre, gli esperti di crittografia dell’azienda stanno portando le comunicazioni sicure basate sulla tecnologia quantistica fuori dai laboratori di ricerca per utilizzarle in diverse applicazioni pratiche.

Il calcolo quantistico, i sensori quantistici e le comunicazioni quantistiche sono tre tecnologie dal potenziale dirompente. Anche solo guardando all’entità degli investimenti, è facile comprendere quale sia il potenziale attribuito alle tecnologie quantistiche. Oltre ai finanziamenti in ben noti fondi di capitale di rischio, miliardi di risorse pubbliche vengono convogliati in fondi di ricerca nazionali e transnazionali.

Il Ministero Federale dell’Istruzione e della Ricerca tedesco, ad esempio, ha istituito un fondo per la tecnologia quantistica di 2,6 miliardi di euro. L’iniziativa Quantum Flagship dell’UE ha un budget di almeno 1 miliardo di euro, mentre il National Quantum Initiative Act degli Stati Uniti ha stanziato 2 miliardi di dollari americani.

Gli effetti quantistici sono diventati parte della nostra quotidianità. Gli smartphone moderni, ad esempio, contengono diverse centinaia di miliardi di transistor, che risiedono principalmente nei chip di memoria flash. La loro funzione, ossia il controllo di corrente e tensione, è basata sulle proprietà della meccanica quantistica tipiche dei semiconduttori. La prima generazione sfrutta gli effetti quantistici naturali. La seconda generazione della tecnologia quantistica, invece, si basa sulla creazione e sul controllo di singoli stati quantistici.

Rapidi. Maggiore rapidità. Calcolo quantistico.

Il nostro mondo è controllato da codici binari. I computer tradizionali elaborano i dati sotto forma di sequenze di unità e zeri, vero o falso, off o on. Ciò si applica a tutto, dalla semplice elaborazione testuale alla realtà virtuale nel metaverso. Il mondo nel quale viviamo, però, sta diventando sempre più complesso. La quantità di dati che dobbiamo gestire cresce rapidamente. Il volume annuo di dati generati digitalmente si è decuplicato tra il 2012 e il 2020 e ci si aspetta che entro il 2025 vada a triplicarsi. La quantità di dati prevista supera i 180 zettabyte, ossia 180 trilioni di gigabyte.

Per questa ragione, i computer tradizionali si trovano davanti due ostacoli insormontabili: il tempo e la complessità. Maggiore è il volume dei dati, maggiore è il tempo necessario per elaborarli in sequenza. Con l’aumentare della complessità del problema, si riduce la probabilità che il codice binario, basato su due soli stati, sia in grado di arrivare efficientemente alla soluzione. I computer quantistici posseggono il potenziale per superare entrambi gli ostacoli, grazie al contributo della fisica moderna.

Una cosa non esclude l’altra

Come per i bit tradizionali, i bit quantistici (qubit) formano le unità di memoria della meccanica quantistica. In aggiunta a zeri e unità, possono includere anche stati misti e sovrapposti. Questa simultaneità rappresenta un cambio di paradigma tecnologico fondamentale. Ora siamo in grado di utilizzare contemporaneamente più metodi di calcolo sequenziale tradizionale, ragione per la quale un computer quantistico consente di risparmiare così tanto tempo.

Ma l’aspetto più importante di tutti è il fatto che il nuovo approccio basato sulla meccanica quantistica ci permette di elaborare problemi nuovi e molto più complessi. Tuttavia, una decisione non esclude l’altra: l’elaborazione tradizionale non esclude il calcolo quantistico. Ciò che conta, al contrario, è saper integrare i sistemi esistenti e quelli quantistici a seconda dell’attività da svolgere.

Il rapporto tra fisica e logica

Nel mondo quantistico, una particella può trovarsi in due luoghi allo stesso tempo. Solo con l’osservazione si può isolarne la posizione, ad esempio misurandola. In altre parole, la posizione non è definitiva finché non la si osserva. Questa insolita caratteristica è anche la ragione dell’estrema instabilità. Anziché utilizzare singoli qubit fisici, che possono essere soggetti a errori frequenti, si impiegano più qubit raggruppati in un qubit logico. La difficoltà di questo metodo, tuttavia, sta nel fatto che per risolvere questioni pratiche, come il ripiegamento delle proteine, servirebbero sistemi quantistici con fino a un milione di qubit logici. Un qubit logico può contenere un massimo di 100 qubit fisici, ma la capacità massima di elaborazione è attualmente di soli 127 qubit fisici.

Zurich Instruments è il membro più giovane della famiglia Rohde & Schwarz. Il mercato della misura e collaudo per il calcolo quantistico, in particolare, ha un enorme potenziale per entrambe le aziende. L’utilizzo e il mantenimento di computer quantistici richiede una vasta gamma di soluzioni di misura e collaudo specifiche, poiché i segnali RF devono essere generati e misurati con una precisione estremamente elevata affinché sia possibile creare e registrare efficacemente gli stati quantistici. I sistemi di controllo per computer quantistici fanno parte dell'offerta della società.

Sicurezza. Maggiore sicurezza. Comunicazioni quantistiche

I computer quantistici hanno il potenziale per spingere l’efficienza dell’elaborazione oltre i limiti. Tuttavia, ciò implica delle sfide, anche a livello di comunicazioni sicure. Il vaso di Pandora cominciò ad aprirsi nei primi anni ‘90, con la comparsa dei primi algoritmi in grado di violare gli algoritmi di crittografia tradizionali utilizzando computer quantistici ad alte prestazioni.

Da allora, la ricerca di metodi di crittografia alternativi è diventata la priorità. Possiamo identificare essenzialmente due approcci principali. Il primo consiste nella crittografia post-quantistica, la quale si fonda interamente su metodi di crittografia tradizionali con una differenza fondamentale: possono uscire illesi dagli attacchi dei computer quantistici. Gli algoritmi usati in questo approccio si basano sull’ipotesi teorica che non siano attualmente noti attacchi efficaci sferrati con computer quantistici o tradizionali.

Il secondo approccio è correlato alla distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD). L’Ufficio federale tedesco per la sicurezza delle informazioni (BSI) e il National Institute of Standards and Technology (NIST) statunitense sono due dei principali promotori dell’innovazione in quest’area. In un mondo sempre più digitalizzato, per i clienti del settore privato e soprattutto per quelli del settore pubblico è fondamentale poter contare su soluzioni di sicurezza IT affidabili. Le reti di comunicazione sicure sono diventate infrastrutture critiche nelle società informatiche avanzate.

Tali soluzioni sono alla base del cambio di prospettiva nell’ambito della crittografia. I metodi tradizionali, nonché i più recenti metodi post-quantistici, si basano su ipotesi matematiche, ossia sull’idea che il calcolo per determinate operazioni non possa essere eseguito in modo abbastanza efficiente. La distribuzione delle chiavi quantistiche, al contrario, si basa su principi fisici.

Innovazione basata sulla collaborazione

Oltre a sviluppare la tecnologia, è importante anche interagire con i clienti e partecipare a gruppi di ricerca e associazioni di settore. Per questo motivo, sin dai suoi inizi, Rohde & Schwarz fa parte di numerosi network. Eccone alcuni: