Scienziati cinesi e sudafricani sono riusciti a creare il collegamento satellitare quantistico intercontinentale più lungo del mondo, che si estende per 12.900 chilometri tra Cina e Sudafrica.
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L’evoluzione della comunicazione quantistica satellitare
Questa scoperta, che utilizza il micro-nano satellite cinese Jinan-1 in orbita terrestre bassa, rappresenta il primo collegamento di comunicazione satellitare quantistico stabilito nell’emisfero meridionale. I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Nature, documentando un significativo progresso nella tecnologia delle comunicazioni globali sicure. Il revisore della rivista ha definito il nuovo collegamento “un risultato tecnicamente impressionante” che “dimostra la maturità della tecnologia satellitare QKD e rappresenta una pietra miliare nello sviluppo di costellazioni satellitari quantistiche e classiche”.
La comunicazione quantistica offre un mezzo sicuro per trasferire informazioni, sfruttando componenti della meccanica quantistica in un modo da impedire le intercettazioni. Questo risultato scientifico, quindi, getta le basi per un futuro servizio di comunicazione intercontinentale finanziario, di difesa nazionale, militare o di altro tipo impossibile da hackerare.
Le implicazioni della sicurezza nella comunicazione quantistica
Il team internazionale, guidato da esperti dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina, ha dimostrato la generazione di chiavi quantistiche in tempo reale attraverso la tecnologia Quantum Key Distribution (QKD). Questo processo ha permesso di criptare in modo sicuro le immagini trasmesse tra le stazioni di terra in Cina e in Sudafrica utilizzando la crittografia one-time pad, un metodo considerato matematicamente infrangibile se implementato correttamente.
La stazione di terra dell’Università di Stellenbosch, in Sudafrica, ha raggiunto un tasso di generazione di chiavi eccezionale, pari a 1,07 milioni di bit sicuri durante un singolo passaggio del satellite, attribuito alle condizioni ambientali ideali della regione, tra cui cielo sereno e bassa umidità atmosferica. Queste condizioni riducono al minimo la dispersione e l’assorbimento dei fotoni, fattori critici per il successo della comunicazione quantistica.
L’innovazione del satellite Jinan-1 per le reti quantistiche
Il microsatellite quantistico Jinan-1 in orbita terrestre bassa è stato l’intermediario di questo collegamento quantistico. Il carico utile specializzato in comunicazioni quantistiche del satellite gli consente di generare e distribuire chiavi quantistiche alle stazioni di terra, creando una connessione prova di hacker nonostante la grande distanza tra i continenti.
“Abbiamo multiplexato la comunicazione ottica bidirezionale satellite-terra con la comunicazione quantistica, consentendo la distillazione delle chiavi e la comunicazione sicura in tempo reale”, affermano gli scienziati. Il carico utile quantistico compatto può essere facilmente assemblato sulle stazioni spaziali esistenti o su piccoli satelliti, aprendo la strada a una rete quantistica e classica basata su una costellazione di satelliti per applicazioni reali diffuse. Il microsatellite, infatti, pesa circa 23 chilogrammi e la stazione di terra portatile circa 100 chilogrammi, con riduzioni rispettivamente di oltre 1 e 2 ordini di grandezza rispetto a quelle tradizionali.
In sintesi, gli scienziati cinesi hanno ottenuto un successo notevole nella progettazione, nello sviluppo e nel lancio di pacchetti da 500 kbit, che rappresentano un compromesso tra un microsatellite leggero con un peso del carico utile di 22,7 kg, significativamente più leggero dei satelliti convenzionali. A terra la trasmissione è avvenuta grazie ad OGS portatili di classe 100 kg posizionati nelle aree urbane cinesi di Jinan, Hefei, Wuhan e Nanshan.
I principi della sicurezza nella comunicazione quantistica
La sicurezza della comunicazione quantistica deriva dai principi fondamentali della meccanica quantistica. Nella distribuzione quantistica delle chiavi, singoli fotoni codificano e trasmettono chiavi crittografiche sicure. Secondo i principi della fisica quantistica, qualsiasi tentativo di intercettare, copiare o misurare questi fotoni altererebbe inevitabilmente i loro stati quantici, mettendo immediatamente in guardia gli utenti legittimi da potenziali intercettazioni.
La comunicazione quantistica, quindi, offre un mezzo sicuro per trasferire informazioni, sfruttando componenti della meccanica quantistica in un modo da impedire le intercettazioni.
Un tipo di comunicazione quantistica è la distribuzione di chiavi quantistiche, un protocollo crittografico che si basa sulla generazione e distribuzione di una chiave segreta condivisa tra le parti per proteggere la comunicazione.
Questa caratteristica di sicurezza intrinseca rende la comunicazione quantistica particolarmente resistente agli attacchi computazionali, compresi quelli potenzialmente abilitati dai futuri computer quantistici. La natura a singolo fotone della trasmissione crea un canale fisicamente sicuro che rimane protetto anche contro avversari dotati di notevoli risorse computazionali.
Il contributo della ricerca internazionale nella comunicazione quantistica
L’iniziativa di ricerca collaborativa ha riunito scienziati dell’Università di Stellenbosch in Sudafrica e dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC). Il team di ricerca cinese è stato guidato dal professor Juan Yin, che in precedenza ha svolto un ruolo cruciale nello sviluppo del primo satellite quantistico cinese, il Micius, sviluppato per iniziare le trasmissioni quantistiche a lunga distanza. Nel 2017, questo satellite ha dimostrato un collegamento quantistico intercontinentale di 7.600 km tra Cina e Austria.
Per quanto riguarda il Sudafrica, il dottor Yaseera Ismail ha guidato il gruppo di ricerca presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Stellenbosch, ricoprendo il ruolo di sperimentatore principale responsabile della creazione del collegamento satellitare quantistico. Il professor Francesco Petruccione, docente di informatica quantistica presso la School of Data Science and Computational Thinking e direttore del National Institute for Theoretical and Computational Sciences (NITheCS) dell’Università di Stellenbosch, è stato determinante nello sviluppo dell’infrastruttura di comunicazione quantistica in Sudafrica.
Juan Yin, deputato dell’Assemblea nazionale del popolo (ANP), scienziato e professore di fisica sperimentale presso l’Università di scienza e tecnologia della Cina, ha annunciato tale scoperta durante la riunione plenaria annuale dell’ANP tenutasi nel mese di marzo a Pechino.
“È la prima volta che questo tipo di esperimento di distribuzione sicura di chiavi quantistiche viene implementato nell’emisfero australe”, ha detto Yin. L’impresa è stata resa possibile dal “raggiungimento di una comunicazione sicura in tempo reale tra satelliti micro-nano quantistici a basso costo e stazioni terrestri mobili”.
Lo sviluppo dell’infrastruttura quantistica in Cina
Secondo la bozza del piano di sviluppo economico e sociale emesso dalla Commissione nazionale per lo sviluppo e la riforma durante la sessione plenaria annuale, la tecnologia quantistica per le comunicazioni satellitari è una delle “industrie del futuro” su cui Pechino si concentrerà particolarmente nel 2025.
Nella corsa mondiale allo sviluppo delle comunicazioni quantistiche, negli ultimi anni gli scienziati cinesi hanno compiuto diversi progressi, tra cui l’utilizzo del satellite Micius e di una rete di stazioni terrestri per stabilire comunicazioni sicure tra Russia e Cina.
La Cina intende sfruttare i suoi satelliti quantistici per stabilire comunicazioni sicure tra i mercati emergenti del blocco Brics, di cui fa parte anche il Sudafrica.
La leadership cinese nella tecnologia di comunicazione quantistica
Attualmente Pechino guida lo sviluppo globale della tecnologia di comunicazione quantistica sotto la guida del famoso fisico quantistico professor Jian-Wei Pan. Il Paese ha costruito una vasta infrastruttura quantistica con una rete terrestre in fibra ottica di 2.000 km che collega 32 nodi affidabili nelle principali città da Pechino a Shanghai.
Il fisico Jianwei, noto come il “padre della fisica quantistica” che ha contribuito a costruire il satellite Micius, ha affermato che il Paese mira a lanciare un servizio di comunicazioni globali ultra-sicuro entro il 2027, dopo aver completato la sua costellazione di satelliti quantistici.
L’infrastruttura cinese esistente ha fornito competenze tecniche e sistemi di supporto fondamentali per il collegamento satellitare quantistico intercontinentale con il Sudafrica. I continui investimenti della Cina nella tecnologia quantistica l’hanno posizionata come leader in questo campo emergente, con applicazioni che spaziano dalle comunicazioni sicure all’informatica e al rilevamento.
Nel suo discorso all’NPC, Yin ha avanzato diverse raccomandazioni su come Pechino dovrebbe migliorare la ricerca e lo sviluppo quantistico per diventare un leader mondiale indiscusso nel settore, tra cui l’aumento degli investimenti nella ricerca di base e la promozione di una filiera di sviluppo dalla ricerca di base a quella applicata. Ha anche aggiunto che la politica cinese volta ad attrarre e sviluppare talenti qualificati dovrebbe essere ottimizzata per formare meglio gli esperti nel campo della tecnologia informatica quantistica e per aiutare ad attrarre in Cina i migliori scienziati internazionali. Poiché la scienza e la tecnologia sono “ancora una questione globale”, la Cina dovrebbe promuovere scambi e cooperazione internazionali di alto livello nella tecnologia quantistica, ha precisato Yin. “Aiutare a formulare standard quantistici internazionali potrebbe aiutare la Cina a padroneggiare il ‘potere del discorso’ per una futura rete di comunicazione quantistica globale”.
