La rubrica del Professor Roberto Verdone ospita oggi un contributo del Prof. Marco Chiani, dell’Università di Bologna, è co-fondatore e co-direttore del WiLab, il Laboratorio Nazionale di comunicazioni wireless del CNIT.
Che relazione fra 6G e meccanica quantistica?
Se ne parla molto – e spesso a sproposito: computer quantistici, comunicazioni quantistiche, quantum Internet. Che relazione potrebbe esserci con il 6G? Ok, facciamo prima un po’ d’ordine. La meccanica quantistica non è nuova: possiamo datarla al 1900, con i primi lavori di Plank sulla radiazione da corpo nero, seguito da molti altri (Einstein, Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schroedinger, Dirac, Fermi solo per citarne alcuni). Siamo già immersi nelle sue applicazioni, e anzi adesso vi sto scrivendo e voi state leggendo grazie alla meccanica quantistica (MQ): tutti i dispositivi elettronici quali transistor, LED, laser, funzionano e sono stati progettati in accordo alla MQ. Oltre a rendere possibile la società dell’informazione, e ad esempio permettere smartphone pazzescamente potenti e utili, non dimentichiamo poi altre applicazioni, ad esempio la risonanza magnetica, gli orologi ultra-precisi, etc etc. Per queste, fino ad ora abbiamo sfruttato solo le proprietà di insiemi di particelle quantistiche come gli elettroni nei semiconduttori, o i fotoni nei laser.
Ok, allora cosa c’è di nuovo ultimamente?
Una prima fondamentale novità è che negli ultimi anni stiamo imparando a controllare singole particelle, quindi singoli elettroni e fotoni (o altri sistemi che si comportano similmente, ma qui il discorso ci porterebbe lontano). Non è facile, come si può immaginare: ad esempio, la manipolazione dello stato di queste particelle richiede solitamente di lavorare a temperature estremamente basse (frazioni di Kelvin). I computer quantistici permettono di modificare lo stato di particelle ed effettuare su queste delle misure, cioè elaborare informazione quantistica sotto forma di qubit, l’analogo quantistico dei classici bit. La comunicazione quantistica si basa essenzialmente su scambio di fotoni. Ok, ma per farci cosa? Qui viene la seconda novità: si è scoperto che, lavorando sulle particelle, si possono elaborare informazioni in modi non possibili con tecniche classiche.
Tema sicurezza centrale nel 6G
Per esempio, è possibile scambiarsi delle chiavi crittografiche in modo sicuro (Quantum Key Distribution, QKD), dove la sicurezza deriva da due leggi della MQ: 1) non è possibile fare “copia ed incolla” di uno stato quantistico non noto; 2) ogni “lettura” modifica lo stato del sistema osservato. Utilizzando queste due proprietà fu ideato un primo protocollo QKD nel 1984, seguito da numerosi lavori, sperimentazioni e sviluppo di prodotti. Ad oggi esistono apparati commerciali di QKD su fibra ottica per distanze dell’ordine di un centinaio di Km. Per distanze superiori possono essere utilizzati anche dei satelliti. Ad esempio, nella European Quantum Communication Infrastructure Initiative si prevede di utilizzare una rete di satelliti (anche piccoli, tipo cubesat) per la distribuzione quantistica di chiavi crittografiche. Questa modalità di distribuzione delle chiavi avrà verosimilmente impatto anche sul 6G, dove il tema della sicurezza è centrale.
Crittografia post-quantistica
Come altro esempio, nel 1994 è stato ideato un algoritmo che, utilizzando una versione quantistica della trasformata discreta di Fourier, permette, ad un computer quantistico, di risolvere una classe di problemi molto difficili per i computer classici. Tra questi problemi c’è la fattorizzazione di interi, che è alla base della firma elettronica utilizzata correntemente. Un computer quantistico in grado di controllare e manipolare molti qubit può violare le firme elettroniche come implementate attualmente, compromettendo i pagamenti elettronici e in definitiva la nostra società digitale. I computer quantistici realizzati finora non sono ancora in grado di farlo, ma la sola possibilità teorica obbliga a ripensare la sicurezza delle reti. Anche in ottica 6G ci si sta attrezzando, studiando tecniche di post-quantum cryptography, che siano cioè sicure rispetto ad un (futuro) computer quantistico. Le possibili applicazioni del quantum computing riguardano più in generale molti ambiti (scienze biologiche, chimiche, finanziarie, dei materiali, etc.).
Infine, è possibile migliorare la qualità delle trasmissioni ottiche sfruttando le peculiarità della MQ per realizzare dei sistemi di modulazione e rivelazione più performanti di quelli attuali. In particolare, l’identificazione di stati quantistici, alla base di molteplici applicazioni di comunicazione e sensing, può offrire vantaggi prestazionali significativi rispetto al corrispettivo classico. Studi e sperimentazioni recenti hanno anche mostrato come sia possibile prevedere per il futuro una rete di comunicazione quantistica, la Quantum Internet.
Sintesi
In sintesi, lo sviluppo delle tecnologie quantistiche dell’informazione e della comunicazione potrà impattare sul 6G per l’adozione di tecniche crittografiche post-quantum, per il possibile uso di satelliti per la distribuzione quantistica di chiavi crittografiche, per il miglioramento delle trasmissioni ottiche. Ne è la riprova il fatto che il documento “European Vision for the Network Ecosystem” del 6G Smart Networks and Services Industry Association (6G-IA), faccia riferimento a reti e sistemi quantistici, integrati con quelli classici, per ottenere prestazioni senza precedenti nell’ambito del sensing, della comunicazione, della sicurezza, e del computing.
Il WiLab ha un programma triennale di ricerca orientato ad esplorare i limiti del 5G per casi d’uso industriale e a sviluppare nuova conoscenza per il 6G. Le tecnologie quantistiche sono tra queste.
* Il CNIT (Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni) è un ente non-profit riconosciuto dal MUR, che svolge attività di ricerca, innovazione e formazione avanzata nel settore dell’ICT.