I fisici sostengono che il modo migliore per diffondere l’entanglement quantistico in tutto il mondo sia attraverso una costellazione di satelliti in orbita.
di ArXiv
La rete quantistica è un sogno di cui molti tecnologi parlano apertamente negli ultimi anni. L’idea è di sfruttare le strane proprietà quantistiche di fotoni ed elettroni per inviare messaggi in perfetto segreto.
Questa idea ha un’ovvia applicazione per i governi e le forze armate, ma è sempre più interessante per le banche che devono garantire la sicurezza delle operazioni, dai contratti alle transazioni finanziarie. Inoltre, questo livello di protezione è sempre più necessario perché i computer quantistici saranno in grado di violare i codici attualmente utilizzati per garantire la privatezza dei messaggi.
In che modo, però, scienziati e ingegneri dovrebbero svolgere il compito di costruire una rete quantistica globale?
Il team di Sumeet Khatri della Louisiana State University di Baton Rouge ha studiato i vari modi in cui si potrebbe mettere in piedi una Internet quantistica e afferma che l’approccio più conveniente è quello di creare una costellazione di satelliti abilitati al quantistico in grado di trasmettere continuamente fotoni intrecciati al suolo. In altre parole, Internet quantistica dovrebbe essere basata sullo spazio.
E’ realmente possibile?
Al centro di ogni rete quantistica c’è la strana proprietà dell’entanglement, per cui due particelle quantistiche condividono la stessa esistenza, anche se sono separate da grandi distanze. Questo fenomeno assicura che una misurazione su una di queste particelle influenzi immediatamente l’altra, una meraviglia che Einstein ha definito “azione spettrale a distanza”.
I fisici di solito distribuiscono l’entanglement usando coppie di fotoni creati nello stesso punto e nell’istante temporale. Quando i fotoni vengono inviati in posizioni diverse, l’entanglement che li collega può essere sfruttato per inviare messaggi sicuri.
Il problema è che l’entanglement è fragile e difficile da preservare. Qualsiasi piccola interazione tra uno dei fotoni e il suo ambiente interrompe il collegamento. In effetti, questo è esattamente ciò che accade quando i fisici trasmettono fotoni aggrovigliati direttamente attraverso l’atmosfera o attraverso le fibre ottiche. I fotoni interagiscono con altri atomi nell’atmosfera o nel vetro e l’entanglement viene distrutto. Si è scoperto così che la distanza massima su cui l’entanglement può essere condiviso in questo modo è di poche centinaia di chilometri.
Come costruire una internet quantistica che condivida l’entanglement globalmente?
Un’opzione è quella di utilizzare i “ripetitori quantistici”, dispositivi che misurano le proprietà quantistiche dei fotoni quando arrivano e quindi trasferiscono queste proprietà a nuovi fotoni che vengono inviati sulla loro strada. Questo modo di procedere preserva l’entanglement, permettendogli di saltare da un ripetitore all’altro. Tuttavia, questa tecnologia è altamente sperimentale e ancora lontana diversi anni dallo sfruttamento commerciale.
Un’altra opzione è quella di creare le coppie intrecciate di fotoni nello spazio e trasmetterle a due diverse stazioni base sul terreno. Queste stazioni base vengono quindi intrecciate, consentendo loro di scambiare messaggi con perfetta segretezza.
Nel 2017, un satellite cinese di nome Micius ha mostrato per la prima volta che l’entanglement può davvero essere condiviso in questo modo. Si è scoperto che i fotoni possono viaggiare molto più lontano in questo scenario perché solo gli ultimi 20 chilometri circa del viaggio attraversano l’atmosfera, a condizione che il satellite sia alto nel cielo e non troppo vicino all’orizzonte.
Khatri afferma che una costellazione di satelliti simili è il modo migliore per creare una rete quantistica globale. La chiave è che per comunicare in modo sicuro, due stazioni terrestri devono essere in grado di vedere lo stesso satellite allo stesso tempo in modo che entrambi possano ricevere fotoni aggrovigliati da esso (si veda figura 1).
A quale altitudine i satelliti dovrebbero stazionare per fornire una copertura il più ampia possibile? E quanti ne saranno necessari? “Poiché i satelliti sono attualmente una risorsa costosa, sarebbe auspicabile avere il minor numero possibile di satelliti nella rete pur mantenendo una copertura completa e continua”, afferma Khatri.
Per scoprirlo, il team ha modellato tale costellazione. Per farlo, hanno dovuto tenere in considerazione una lunga serie di fattori. Per esempio, un minor numero di satelliti può fornire copertura globale quando orbita ad alta quota. Ma quote più elevate portano a maggiori perdite di fotoni.
Inoltre, i satelliti ad altitudini inferiori possono coprire solo distanze brevi tra le stazioni base, poiché entrambi devono poter vedere lo stesso satellite contemporaneamente. Date queste limitazioni, Khatri e altri suggeriscono che il miglior compromesso sia una costellazione di almeno 400 satelliti che volano ad un’altitudine di circa 3.000 km. Al confronto, il GPS funziona con 24 satelliti.
Anche in questo caso, la distanza massima tra le stazioni base sarà limitata a circa 7.500 chilometri. Ciò significa che un tale sistema potrebbe supportare la messaggistica sicura tra Londra e Mumbai, distanti 7.200 km, ma non tra Londra e Houston, distanti 7.800 km, o addirittura tra città più distanti. Questo è uno svantaggio significativo.
Tuttavia, una rete quantistica basata sullo spazio ha prestazioni decisamente superiori ai sistemi terrestri di ripetitori quantistici, afferma Khatri. I ripetitori dovrebbero essere distanziati ad intervalli inferiori ai 200 chilometri, quindi coprire lunghe distanze richiederebbe un gran numero di essi. Ciò introduce una severa limitazione per una Internet quantistica. “E’ indubbio che i satelliti offrano un vantaggio significativo rispetto alla distribuzione di entanglement a terra”, conclude Khatri.
Naturalmente, un tale sistema richiederebbe investimenti significativi. La Cina ha un evidente vantaggio, avendo già testato un satellite in orbita con questo tipo di tecnologia. E ha in programma di andare oltre.
Al contrario, l’Europa e gli Stati Uniti sembrano avere meno ambizioni al riguardo. Questa situazione potrebbe cambiare rapidamente se la tecnologia si dimostrerà valida. in tal caso, la corsa allo spazio quantistico potrebbe essere pronta a decollare.
Immagine: Ms Tech / NASA
(rp)
