Un primo passo verso un'Internet quantistica: ricercatori creano una rete con tre computer quantistici

L'evoluzione dei computer è andata per tappe: prima "semplici" calcolatori automatici, poi esecutori di operazioni complesse, per arrivare oggi alla creazione di una vasta rete planetaria che interconnette miliardi di dispositivi. La creazione di una rete di computer quantistici non è, però, altrettanto facile e si scontra con limitazioni fisiche eccezionali. Una squadra di ricercatori del centro di ricerca QuTech nei Paesi Bassi ha però mosso i primi passi verso tale obiettivo, con la creazione di una rete a tre nodi: un computer quantistico mittente, uno ricevente e un terzo che fa da ripetitore in mezzo ai due. Un risultato che apre le porte alle prime vere reti quantistiche del futuro.

Reti di computer quantistici: una sfida difficile

I computer quantistici non usano segnali elettrici per le proprie operazioni, ma lo stato quantistico di alcuni materiali: nel caso di IBM e Google si tratta di superconduttori, nel caso di Honeywell e IonQ si tratta di ioni, in altri casi sono utilizzate tecniche ancora differenti. Se nei computer tradizionali l'unità minima di informazione è costituita dal bit, che può assumere i valori "0" e "1", la particolarità dei computer quantistici è invece che la loro modalità di funzionamento rende possibile l'uso dei "qubit", ovvero unità di informazione che possono assumere i valori "0", "1" e "0 e 1". Ciò avviene per una proprietà chiamata superposizione.

Un'altra proprietà dei computer quantistici è il cosiddetto entanglement, ovvero la capacità di legare due qubit per far sì che un cambiamento di stato in uno si rifletta anche sull'altro. Questa è una proprietà particolarmente nota a causa dello sconcerto che causò nel mondo della fisica al momento della sua scoperta; Einstein la definì famosamente "una inquietante azione a distanza". L'aspetto interessante dell'entanglement quantistico è proprio il fatto che avviene a grandi distanze senza che sia presente alcun mezzo di trasmissione tra i due oggetti entangled (tipicamente particelle subatomiche).

Il problema, però, nel far comunicare i computer quantistici sta proprio in questo processo di entanglement. Per ottenerlo, infatti, si utilizzano solitamente dei fotoni manipolati in modo tale da essere entangled e poi diretti verso due particelle (tipicamente elettroni), il cui stato viene modificato così da diventare a loro volta entangled.

Questo processo non è particolarmente problematico se condotto all'interno di un computer quantistico, dove le temperature vengono mantenute spesso a pochi centesimi di grado sopra lo zero assoluto (0 °K, o -273,15 °C). Ci sono però importanti sfide se si vogliono connettere due computer quantistici a distanza: un fotone può infatti attraversare solo una distanza relativamente ridotta di fibra ottica prima di perdere l'accoppiamento con il secondo fotone. Si parla di appena qualche centinaio di chilometri, che su scala mondiale rappresentano una distanza troppo corta: basti pensare all'attraversamento dell'Oceano Atlantico per capire di quale sfida si tratti.

"Il problema è che, al contrario delle reti classiche, non si possono amplificare i segnali quantistici. Se si prova a copiare il qubit, si distrugge la copia originale", afferma Matteo Pompili, uno dei ricercatori dell'Università Tecnologica di Delft, parlando con Live Science. "Questo fatto limita seriamente le distanze in cui possiamo inviare segnali quantistici a qualche decina di centinaia di chilometri. Se si volesse impostare una comunicazione quantistica con qualcuno dall'altra parte del mondo, servirebbero nodi ripetitori nel mezzo."

Per risolvere questa sfida i ricercatori hanno creato tre nodi, che possono essere immaginati come disposti su una linea: due sono alle estremità, uno è nel mezzo. Dei fotoni provenienti dai nodi agli estremi trasmettono l'entanglement al nodo centrale. Questo è dotato di due qubit, uno per acquisire uno stato entangled e un secondo per mantenerlo. Una volta acquisito l'entanglement con uno dei due estremi usando uno dei due qubit, il nodo centrale acquisisce anche quello con l'altro nodo usando il secondo qubit e procede poi a mettere i due qubit in entanglement. In questo modo si crea un entanglement tra i due nodi agli estremi.

Sebbene questo procedimento sia piuttosto semplice in teoria, il problema sta nel fatto che i ricercatori hanno dovuto impiegare un complesso sistema di laser e specchi per ottenerlo: i fotoni usati per l'entanglement devono essere perfettamente sincronizzati per ottenere il risultato desiderato.

Il prossimo passo sarà la trasmissione effettiva di informazioni e il miglioramento delle prestazioni tramite componenti migliori, nonché la prova sul campo per creare l'entanglement tra computer quantistici siti a Delft e L'Aia, a circa 10 km di distanza. Pompili infatti afferma che "in questo momento tutti i nostri nodi sono posizionati tra 10 e 20 metri l'uno dall'altro, ma se si vuole qualcosa di utile, bisogna andare sulla scala dei chilometri. Questa sarà la prima volta che creeremo un collegamento sulle lunghe distanze."

I ricercatori hanno pubblicato i risultati dei propri esperimenti su Science.

Perché le reti quantistiche sono importanti

Così come nelle reti usate dai computer tradizionali, anche nel caso delle reti quantistiche la possibilità di interconnettere diversi computer apre a numerose applicazioni altrimenti impossibili: tra le più importanti citiamo le comunicazioni a prova di intrusione, la creazione di cluster di computer quantistici in grado di ottenere prestazioni più elevate, la sincronizzazione degli orologi atomici e altro ancora. Dal momento che si tratta di una tecnologia appena agli albori, immaginare i possibili usi è difficile, così come era difficile immaginare gli attuali impieghi di Internet all'epoca dei primi mainframe.

È però certo che ottenere delle reti quantistiche funzionanti sarà importante proprio perché aprirà a nuovi casi d'uso dei computer quantistici e permetterà di accelerare la ricerca su di essi e sulla fisica sottostante. Grazie ai computer quantistici si potranno scoprire nuovi materiali, nuovi farmaci e, più in generale, nuove informazioni sull'Universo che porteranno in futuro a nuove scoperte. Quello annunciato dal QuTech è solo un primo passo verso questi obiettivi ma, come si suol dire, l'importante è proprio mettersi in marcia.