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World Quantum Day 2022: IIT-CNR e la ricerca sul Quantum Internet

Si celebra oggi il World Quantum Day, la giornata internazionale per promuovere la conoscenza degli studi sulla scienza e le tecnologie quantistiche.

Oggi è il World Quantum Day, la giornata internazionale per promuovere la conoscenza degli studi sulla scienza e le tecnologie quantistiche. Una ricerca di frontiera che farà evolvere non soltanto i calcolatori ma anche la trasmissione delle informazioni tra loro e segnerà di fatto l’avvio di una nuova era di Internet.
L’IIT-CNR, istituto pioniere negli studi dedicati alla rete, è ovviamente impegnato in questa nuova sfida, con la partecipazione dei suoi ricercatori a due importanti progetti di ricerca sul tema, HPCQS e Quancom, e con l’adesione, avvenuta a febbraio 2022, all’IBM Quantum Network.

Claudio Cicconetti, ricercatore IIT-CNR che studia proprio questi temi, ci racconta qualcosa della sua ricerca dedicata in particolare al routing quantistico. Per approfondire il tema segnaliamo anche la presentazione di Cicconetti a Bright 2021 “Portami su, Scotty”, ovvero Il teletrasporto e altre (inutili) bugie sulle reti quantistiche.


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I prossimi anni vedranno lo sviluppo del Quantum Internet, che connetterà i computer quantistici in modo molto simile a come Internet ha fatto per i computer “classici” (e per gli smartphone, le console per videogiochi e gli oggetti connessi in rete) negli ultimi 50 anni. 

A tal proposito possono venirci in mente un paio di domande. Perché abbiamo bisogno di un Internet quantistico? E se ne abbiamo bisogno, perché non lo abbiamo già?

Per rispondere alla prima domanda, prima di tutto dobbiamo considerare il fatto che un computer quantistico è molto diverso dai computer che usiamo ogni giorno. Un computer quantistico utilizza “quantum bit” (qubit), che possono rappresentare ciascuno qualsiasi possibile combinazione di due stati: ad esempio, un qubit può codificare “90% la luce è accesa e 10% la luce è spenta” o “45% ON e 55% OFF” e così via, mentre i bit classici sono limitati ad un unico valore (la luce può essere accesa o spenta, ma mai entrambe le cose insieme). Inoltre, questi qubit possono essere messi in correlazione quantistica per produrre un nuovo stato quantistico, in cui il contributo di ciascun qubit diventa indissolubilmente legato a quello degli altri, anche se li allontaniamo uno dall’altro (il cosiddetto entanglement quantistico). 

Grazie a queste proprietà, i computer quantistici in futuro soddisferanno le crescenti esigenze della scienza, dell’industria e della società. Ma abbiamo imparato negli ultimi decenni che l’interconnessione delle infrastrutture informatiche può accelerare ulteriormente l’evoluzione delle tecnologie dell’informazione e creare nuove applicazioni impreviste: pensiamo al cloud e cosa significa per noi oggi. Lo stesso può accadere con l’informatica quantistica, ma sfortunatamente l’infrastruttura di comunicazione esistente (cioè Internet) non può essere utilizzata così com’è, poiché è stata progettata per trasferire bit, non qubit.

Questo ci porta alla seconda domanda: se avere un Quantum Internet è utile, allora qualcuno lo sta già costruendo, giusto? Beh, no. O meglio, non ancora. Il problema è il seguente: ricordate l’entanglement dei qubit? Si è scoperto che abilitare l’entanglement tra due computer quantistici qualsiasi nel mondo è possibile in teoria, ma molto difficile in pratica. In particolare, avremmo bisogno di un cosiddetto ripetitore quantistico, che è un dispositivo (ancora teorico) in grado di teletrasportare un qubit da un nodo al successivo fino al raggiungimento della destinazione finale. Il teletrasporto quantistico è l’operazione che serve per trasferire lo stato di un qubit da un sistema all’altro, ed è necessaria perché, semplicemente, non è possibile copiare un qubit, come fanno i router e gli switch a una velocità di miliardi al secondo con bit classici, a causa di una legge fondamentale della fisica nota come “teorema di non clonazione”. Tuttavia, le tecnologie di comunicazione quantistica si stanno evolvendo molto rapidamente e nella comunità di ricerca è ampiamente riconosciuto che il fantomatico ripetitore quantistico diventerà presto realtà, sbloccando così le immense possibilità offerte dalla messa in opera della Quantum Internet.

Nel frattempo, all’IIT-CNR, all’interno del gruppo di ricerca Ubiquitous Internet, stiamo studiando soluzioni per il Quantum Internet, in modo da essere pronti quando dovremo fare la nostra parte. Una delle nostre attività in corso riguarda il problema del routing quantistico. In Internet, il routing è il processo che decide quale sia il percorso migliore per raggiungere un computer da un altro (ad esempio, come raggiungere i server di Google per effettuare una query di ricerca web dal proprio telefono cellulare). Questo processo viene eseguito in modo molto efficiente sulla base di algoritmi e protocolli che sono stati progettati per trasferire pacchetti di bit, quindi inefficaci quando serve selezionare il percorso migliore per stabilire l’entanglement remoto di qubit nel Quantum Internet. Nell’ultimo decennio, alcuni dei nostri colleghi ricercatori hanno studiato questo problema e trovato soluzioni eleganti per applicazioni quantistiche che richiedono un tasso costante di entanglement; uno di questi esempi è Quantum Key Distribution (QKD), che può essere utilizzato per trasferire messaggi di bit classici in sicurezza assoluta, cioè in modo tale da rendere impossibile a terzi di intercettare il contenuto. 

Noi invece ci stiamo concentrando su un diverso tipo di applicazione, che è stata finora trascurata nella comunità ma che sta emergendo come un’opportunità promettente: il calcolo quantistico distribuito, che consente a più computer quantistici di mettere insieme le proprie risorse e risolvere problemi che sono irrisolvibili da uno soltanto di loro. Riteniamo che questa applicazione sarà particolarmente importante nelle prime fasi di sviluppo del Quantum Internet, quando i computer quantistici interconnessi avranno capacità relativamente modeste, proprio come avveniva agli albori di Internet. Tuttavia, il calcolo quantistico distribuito utilizza un tasso di entanglement variabile, che lo rende diverso da tutte le altre applicazioni finora affrontate, e quindi richiede un approccio diverso al routing, che stiamo studiando per mezzo di strumenti di analisi e simulazione.

Il lettore interessato può trovare ulteriori dettagli e risultati iniziali sul routing quantistico per il calcolo distribuito a questo link.

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