L’Internet quantistico offrirà opportunità rivoluzionarie e assicurerà molteplici benefici. Lo rivela Luciano Lenzini, che portò Internet in Italia e che oggi lavora sul “Quantum”

Nessuno oggi può prevedere le opportunità che il Quantum Internet saprà offrire. Ma d’altronde, chi si sarebbe immaginato, nel 1969, che l’avvio di ARPAnet – la rete di computer connessi dall’Agenzia della difesa statunitense Darpa e progenitrice di internet – avrebbe comportato un’autentica rivoluzione della civiltà umana, con quasi 5 miliardi di persone aperte al mondo virtuale e alle sue potenzialità? Di certo oggi sull’internet quantistico c’è un grande interesse, confermato da strategie e investimenti.

Prima di proseguire, è bene spiegare che cos’è il Quantum Internet: con questo termine si definisce una rete di computer quantistici che hanno il compito di inviare, ricevere ed elaborare informazioni codificate in stati quantistici.

L’Europa sta lavorando alla European Quantum Communication Infrastructure Initiative (EuroQCI), definita la futura rete Internet europea di comunicazione quantistica. Inoltre è nata la Quantum Internet Alliance, programma settennale che intende realizzare un innovativo ecosistema Quantum Internet in Europa. Istituita nel 2017, conta più di 40 partner tra università, centri di ricerca, startup e grandi gruppi delle TLC. Per la prima fase del programma, che durerà tre anni e mezzo ed è partita a ottobre 2022, è stato stanziato un budget totale di 24 milioni di euro. Un’iniziativa analoga è sorta tre anni fa negli Stati Uniti, parte del National Quantum Initiative Act, convertito in legge dall’allora presidente Trump a fine 2018. La Cina si muove da tempo, avendo intuito le potenzialità offerte dal quantum computing e dal quantum internet, su cui sono attivi scienziati in tutto il mondo.

In Italia vi lavora anche Luciano Lenzini, ovvero colui che ha portato Internet in Italia. In collaborazione con Robert Kahn e Vinton Cerf, ovvero gli inventori del TCP/IP (che valse loro il Premio Turing, considerato il premio Nobel per l’Informatica), lo scienziato italiano ha diretto l’iniziativa che ha condotto alla messa in funzione del primo nodo Internet in Italia e il quarto in Europa dopo il Norvegia, Regno Unito e Germania. Attualmente è professore ordinario al Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione all’Università di Pisa, dove insegna quantum computing e Quantum Internet, svolgendo studi e ricerche mirate alla sfera quantistica.

Takeaway

Professor Lenzini, il quantum internet è la nuova frontiera su cui è attiva la ricerca. Intanto, però, oggi beneficiamo di Internet, cui lei ha contribuito a portare in Italia. Cosa ricorda di quell’esperienza?

Al Centro Nazionale Universitario di Calcolo Elettronico (CNUCE), a Pisa, negli anni Settanta avevamo iniziato a operare sulle reti di calcolatori subito dopo che era entrata in funzione ARPAnet. Qui contribuimmo anche a realizzare Stella, la prima rete europea a commutazione di pacchetto per trasmissioni via satellite, progetto proposto dal CERN con l’obiettivo di trasmettere rapidamente grandi volumi di dati sperimentali. Nell’occasione il nostro team italiano assunse il controllo della progettazione e realizzazione della rete. Nel 1979, in occasione di una riunione di progetto alla University College of London fummo informati della volontà USA di estendere Internet a livello internazionale e ci fu proposto di partecipare alla sperimentazione. Tornato in Italia, dopo necessari confronti e con la possibilità di disporre di risorse economiche, contattai Robert Kahn – che dirigeva la sperimentazione di Internet in Europa – e gli comunicai la disponibilità del CNUCE a far parte della sperimentazione. Venne a Pisa e insieme fissammo la configurazione del primo nodo italiano nel 1980. Solo gli intoppi burocratici ritardarono l’avvio già allora: in ogni caso il 30 aprile 1986 avvenne l’invio del segnale (“ping”) che arrivò negli Stati Uniti. Il resto è storia.

Vi siete resi conto subito della portata rivoluzionaria di Internet?

No, nel modo più assoluto. Nemmeno Kahn e Cerf immaginavano l’effetto dirompente che avrebbe avuto su ognuno di noi. Comprendevamo che era un grosso progetto scientifico al quale gli europei guardavano con forte interesse e chi lavorava nelle reti aspirava a farne parte. Fino al 1990 Internet era questo: un progetto per addetti ai lavori e ricercatori specializzati. All’epoca, accedere ai suoi servizi richiedeva una profonda conoscenza oltre a essere soggetta a restrizioni sull’uso legata a motivi di sicurezza. L’invenzione del World Wide Web, l’avvio dei primi motori di ricerca, la liberalizzazione progressiva delle telecomunicazioni, l’avvento di WiFi e dell’iPhone cambiarono notevolmente l’uso di internet e contribuirono alla sua diffusione a livello globale.

Dall’internet classico al Quantum internet: quali sono le affinità e le differenze?

Il Quantum Internet rappresenta una rivoluzione rispetto a quello contemporaneo e si basa su un paradigma di comunicazione completamente diverso. È forte la convinzione che sarà più dirompente rispetto all’attuale. Il primo elemento disruptive sarà rappresentato dall’avvento dei quantum computer che dovrebbero essere reperibili sul mercato entro il 2030, anche se a livello di laboratorio già esistono.

Più che le affinità, però, evidenzierei le differenze. Un elemento che li distingue riguarda il contesto in cui operano i progettisti: quelli dell’internet classico furono molto più fortunati. Nel 1969, ovvero quando nacque ARPAnet, già esistevano i computer; le linee di telecomunicazione erano funzionanti e ben ingegnerizzate. Quindi, era concreta la possibilità di scambiare dei messaggi tra i vari calcolatori. Invece, nel caso del Quantum Internet, la tecnologia è avanzata, ma non è così matura paragonata a quella ai tempi dell’internet classico. Soprattutto, la possibilità di trasferire i qubit (quantum bit, unità di informazione quantistica) da un quantum computer a un altro non è ancora pronta o comunque è ben lontana dall’essere ingegnerizzata allo stesso livello del suo predecessore.

Soprattutto, abbiamo a che fare con una tecnologia completamente diversa e più complessa.

Va considerato, per esempio, che il bit classico può assumere due valori logici cui vengono fatti corrispondere numeri aritmetici zero ed uno. Nel bit quantistico, oltre a 0 e 1, esistono anche infiniti altri stati.

C’è poi un ulteriore elemento da considerare: la trasmissione dei qubit. L’Internet classico trasferisce informazioni sotto forma di bit lungo cavi in fibra ottica. Alcuni di questi cavi percorrono lunghe distanze. Nel caso dei qubit, se il trasferimento avviene lungo fibra ottica, dopo alcune decine di chilometri essi perdono le loro proprietà. Servono allora dei quantum repeater, componenti innovativi ed essenziali nella trasmissione a lunga distanza di informazioni quantistiche. La realizzazione di un ripetitore quantistico è uno dei lavori su cui si focalizza la ricerca.

La ricerca oggi su quali aspetti sta lavorando per migliorare questi aspetti?

Sul quantum computing operano diversi profili, in particolare fisici e informatici. Per quanto riguarda i fisici e gli ingegneri quantistici, essi sono focalizzati sulla realizzazione dei quantum repeater e sulla possiblità di rendere stabili i qubit. Il lavoro degli ingegneri informatici è di utilizzare i qubit che i fisici forniscono per costruire dei sistemi, tra i quali c’è il Quantum Internet. Il nostro lavoro è, quindi, mirato a mettere insieme funzioni che consentono ai qubit di trasferirsi da un calcolatore quantistico all’altro tramite i vari quantum repeater.

Tra gli aspetti più importanti alla base degli studi c’è l’entanglement, fenomeno che si ha quando due particelle, come una coppia di fotoni o di elettroni, si intrecciano, rimangono collegate anche quando sono separate da grandi distanze. Questa proprietà – che è stata sperimentata almeno a distanza di oltre mille chilometri – è tale per cui se si compie un’operazione su una delle particelle (per esempio una misura), l’altra viene influenzata istantaneamente. Perché accada questo nessuno lo sa, ma è un risultato confermato in maniera empirica. Questa proprietà viene sfruttata dal quantum teleportation, mediante cui avviene il teletrasporto di un qubit da un luogo a un altro. Un qubit “evapora” dalla parte del sender e compare magicamente sul receiver senza bisogno di un mezzo di trasporto che si faccia carico del recapito del qubit a destinazione.

È possibile pensare che il Quantum Internet possa essere complementare a quello classico?

Sì. Il Quantum Internet si avvale di quello classico per far comunicare tra di loro i repeater. Oltre a scambiarsi fotoni attraverso fibre ottiche o teleporting, essi debbono coordinarsi tra di loro. Il coordinamento può avvenire proprio attraverso l’Internet classico. Uno è di aiuto all’altro, il Quantum Internet è utile al tradizionale per garantire condizioni di cybersecurity, garantendo ai computer classici la protezione delle chiavi per effettuare comunicazioni tramite crittografia.

Quindi, al momento vediamo una complementarietà tra i due ambiti. Naturalmente, l’Internet quantistico funzionerà su applicazioni al di fuori della portata del classico. L’auspicio è che con lo sviluppo del QI avvenga un contemporaneo sviluppo di quello che è stato il World Wide Web per l’Internet classico.

Quali sono le prospettive che apre il quantum internet? Quali settori ne beneficeranno in particolare?

I computer quantistici sono progettati per superare quelli odierni eseguendo algoritmi quantistici, che possono essere applicati in crittografia, nella ricerca e nell’ottimizzazione, nella simulazione e risoluzione di grandi sistemi di equazioni lineari. Stiamo parlando di ordini di grandezza completamente differenti e di una crescita esponenziale della capacità computazionale di cui potremo beneficiare notevolmente in molteplici aspetti.

A proposito, invece, del Quantum Internet, una prima opportunità che apre riguarda la sicurezza, come già accennato. Uno degli aspetti più evidenti è legato alla velocità di esecuzione del calcolo. Si aprono nuove strade, alcune intuibili, diverse altre sono sconosciute.

Riguardo ai settori, ne beneficeranno quelli della chimica, della farmacologia, della biologia. Anche intelligenza artificiale e machine learning trarranno vantaggi dal quantum computing e di conseguenza ne beneficeranno settori come medicina o finanza.

A proposito, invece, del Quantum Internet, una prima opportunità che apre riguarda la sicurezza, come già accennato. Si pensi, per esempio, al secure voting, al quantum digital signature (la versione quantistica della firma digitale), al rilevamento delle onde gravitazionali o al distributed quantum computing. La cooperazione di migliaia di computer quantistici, attraverso il QI, apre ulteriori nuove strade: alcune intuibili, diverse altre sconosciute.