Dopo il mio primo articolo sui computer quantistici, ora esploro e cerco di spiegare il mondo altrettanto fantastico e stimolante delle reti quantistiche. Con il calcolo quantistico arrivano le reti quantistiche e la migliore tecnologia che abbiamo per questo è la fibra ottica. Anche se i computer quantistici sono vicini alla magia assoluta, hanno comunque bisogno di reti per comunicare e, per la maggior parte, non stiamo guardando il rame. La fibra ottica è la cosa, ma c'è una strana sfida nell'invio di piccoli piccoli fotoni da soli. E anche se il futuro sembra tutto quantico, puoi scommettere che ci saranno ancora un sacco di vecchie tecnologie che lavoreranno in parallelo per anni, quindi garantire che tutte possano coesistere e rimanere al sicuro sarà una delle sfide più grandi per gli amministratori di sistema.
Internet come lo conosciamo
Da adolescente, io e alcuni dei miei amici siamo andati negli Stati Uniti come studenti di scambio. Mentre abbiamo migliorato le nostre competenze in lingua inglese, abbiamo anche notato la comodità di poter comunicare in privato tra di noi passando alla nostra lingua madre, lo svedese. Potremmo parlare di tutti i tipi di sciocchezze nei luoghi pubblici e nessuno capirebbe. Questo è stato, finché un giorno, una signora anziana ci ha guardato con occhi severi e ci ha detto in perfetto svedese che dovevamo vergognarci di noi stessi e fare attenzione alla nostra lingua. Arrossindo e sentendoci davvero molto sciocchi, abbiamo mormorato le nostre scuse e ci siamo diretti verso una rapida uscita.
Internet è simile in quanto, la maggior parte delle volte, possiamo avere conversazioni private e sicure; tuttavia, c'è sempre il rischio che tale comunicazione venga intercettata. Le informazioni possono essere rubate o distorte, quindi ci sono molte buone ragioni per cui i team di sicurezza stanno col fiato sul collo di tutti a qualsiasi segnale di vulnerabilità, soprattutto se ti capita di lavorare con informazioni di alto profilo o di alto valore.
Internet, come la conosciamo, è piena di protocolli di sicurezza e algoritmi di crittografia per proteggere le nostre conversazioni e tutti i dati che generiamo. Ma con le forze del male in generale, c'è il rischio costante che riescano a decifrare, rubare, copiare, falsificare o comunque attingere alle nostre preziose informazioni. Se non riescono a romperlo, possono bloccarlo scatenando tutti i tipi di malware e attacchi creativi per inondare i collegamenti di comunicazione.
I computer quantistici comunicano in modo diverso.
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Una rete quantistica entangled
L'entanglement quantistico è quando due particelle collegate vengono poste in posizioni diverse, dove il mittente ha una parte e il ricevitore ha l'altra. Le particelle aggrovigliate adotteranno simultaneamente la posizione opposta dell'altra particella aggrovigliata. In questo modo, sai immediatamente cosa sta facendo l'altra parte e la cosa strana è che in questa fase non c'è comunicazione da intercettare.
All'Università di Bristol, un team di scienziati internazionali ha creato una rete quantistica che, una volta estesa, ha "il potenziale per servire milioni di utenti". Sembra molto ambizioso ed è un grosso problema perché, fino ad ora (quando è stato scritto questo articolo), le reti quantistiche entangled erano per lo più costituite da due soli nodi. Estenderli con più nodi non è facile, poiché richiede una moltitudine di componenti costosi che, a loro volta, richiedono un sostanziale sostegno finanziario. Il team di Bristol ha creato una rete quantistica con otto nodi e utilizzando otto ricevitori.
Considerando che i metodi precedenti avrebbero bisogno di 56 scatole per prendersi cura di otto nodi, questa è un'enorme svolta. Inoltre, il fatto che stiano utilizzando la tecnologia esistente è ancora meglio, ma la sfida è ancora la distanza, di cui parlerò più avanti.
Ciao, ciao, rame
Le informazioni in una rete quantistica possono essere trasferite in fibra ottica, e questo è, ovviamente, molto positivo perché ce ne sono molte in giro e altre ne vengono lanciate. I fotoni di stato quantistico che viaggiano lungo la fibra ottica sono molto sensibili alle interferenze, il che significa che lo stato quantistico si perde facilmente. I fotoni sono così piccoli e deboli che, dopo una certa distanza, vengono assorbiti nel cavo in fibra ottica. C'è molta ricerca su come affrontare questa sfida e si stanno facendo progressi, ma finora solo a temperature intorno allo zero assoluto.
Non assetato di potere
Ho già scritto di computer quantistici e ho detto che sono grandi, ingombranti e consumano molta energia. Il fatto è che l'energia è necessaria per creare le circostanze speciali necessarie affinché la fisica quantistica entri in azione. Ciò include cose come il vuoto, temperature vicine allo zero assoluto e un ambiente assolutamente privo di interferenze. I fotoni e gli elettroni effettivi che "fanno quantistica" richiedono quantità minuscole di energia, quindi una volta che lo stato quantistico può funzionare in modo affidabile a temperatura ambiente, potremmo vedere computer molto più piccoli che richiedono pochissima energia.
Ripetitori quantistici
Come già accennato, le attuali reti in fibra ottica hanno la fastidiosa abilità di assorbire i fotoni trasmessi, e questo avviene nel giro di pochi chilometri. Il punto cruciale è che l'entanglement quantistico è uno stato molto fragile ed è difficile da mantenere. Anche il più piccolo disturbo o interazione tra uno dei fotoni e tutto ciò che lo circonda interromperà il collegamento:entreranno nei ripetitori. Tuttavia, gli attuali ripetitori presentano limitazioni e vulnerabilità e diventano complessi da mantenere una volta che inizi a scalare.
Passare il testimone
Un ripetitore quantistico misurerà le proprietà quantistiche dei fotoni in arrivo. Il ripetitore trasferisce quindi le proprietà quantistiche a nuovi fotoni e li invia alla tappa successiva. Considerando che potrebbero esserci facilmente 100.000 fotoni al secondo, il ripetitore sarà un luogo affollato.
Questo processo di inoltro rende possibile propagare l'entanglement su distanze molto più lunghe, ma nel mio mondo semplice, mi chiedo solo come possiamo assicurarci che le proprietà quantistiche corrette vengano trasferite. Forse, questo è ordinato per entanglement quantistico, in cui il destinatario sa già cosa aspettarsi.
Se lo mettiamo in scala, avremo bisogno di un monitoraggio serio; non solo per tenere traccia degli errori, ma anche per correggerli. Il campo della matematica dedicato alla fisica quantistica e alle sue peculiarità è in costante progresso. In effetti, ci sono così tanti progressi che devo smettere di leggere i documenti di ricerca, o non finirò mai questo articolo. Ecco come si stanno muovendo velocemente le cose in quest'area.
Quantum a distanza
Un team scientifico della Yokohama National University ha sviluppato un nuovo modo per entanglement i fotoni ed è riuscito a inviare questi fotoni per oltre 10 chilometri attraverso la fibra ottica. Hanno anche utilizzato un unico ripetitore e, così facendo, hanno raggiunto una distanza totale di 20 chilometri.
Al momento della stesura di questo articolo, la distanza più lontana che qualcuno è riuscito a mantenere l'entanglement quantistico era di 83,7 chilometri, raggiunto quest'anno dagli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dell'Università di Chicago. Ma sono sicuro che nel prossimo futuro vedremo quel record battuto molte volte.
Mantenere un segreto
I qubit che vengono trasportati attraverso la rete quantistica hanno una caratteristica molto specifica e unica chiamata "effetto osservatore", il che significa che sono impossibili da interrompere, e questo fa parte del modo in cui funziona la meccanica quantistica. L'effetto osservatore significa che qualsiasi tentativo di monitorare i fotoni mentre si muovono lungo la rete non solo li modificherebbe, ma in realtà li distruggerebbe.
Ciò significa che il destinatario previsto saprà immediatamente se ci sono stati tentativi di intercettazione lungo il percorso. Non c'è *al momento alcun modo per aggirare questo fenomeno, poiché è una proprietà intrinseca della meccanica quantistica, quindi non sorprende che governi, società mediche e istituzioni finanziarie siano apertamente interessati.
*Dato che la ricerca in quest'area si sta muovendo a una velocità così fantastica, non sarei sorpreso se gli scienziati trovassero un modo per aggirare questa proprietà intrinseca prima che tu legga questo.
Reti quantistiche crittografate
Quindi, quanto puoi essere sicuro? A quanto pare, non abbastanza. Il campo della crittografia quantistica è in piena espansione e, utilizzando la tecnologia della distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD), è possibile crittografare e decrittografare le informazioni tra mittente e destinatario. I qubit possono essere letti solo una volta che sono arrivati a destinazione e hai la chiave quantistica corretta per sbloccarla, quindi niente più intercettazioni.
Nodi quantistici nello spazio?
Ormai sappiamo che la fisica quantistica funziona meglio senza alcuna interferenza, nel vuoto dove fa molto freddo, e questo rende molto adatte alcune parti dello spazio vicino alla Terra. La potenza di cui i computer quantistici hanno bisogno qui sulla Terra serve principalmente a creare le condizioni speciali che lo spazio offre in abbondanza. Il qubit stesso ha bisogno di una potenza assolutamente minuscola per funzionare, quindi gli scienziati stanno valutando l'opportunità di avere computer quantistici nei satelliti impigliati tra loro, il che consentirebbe di inviare problemi dalla Terra, elaborati nello spazio e quindi restituire le risposte alla terra. I satelliti manderebbero fotoni entangled sulla Terra, che figata.
Questo non sono io completamente fuori dai miei cardini:l'idea in realtà viene dagli scienziati della Louisiana State University di Baton Rouge. Oh, a proposito, l'entanglement quantistico nello spazio è già stato testato con successo, nel 2017.
Più è meglio
Hummingbird, Eagle, Osprey e Condor:questi sono i nomi di processori con un numero crescente di qubit di Big Blue (IBM), che è sulla strada per un computer quantistico da un milione di qubit, il cui lancio è previsto nel 2030. Potresti essere sorpreso di sapere che, a settembre 2020, IBM ha rilasciato il suo nuovo processore Quantum Hummingbird a 65 qubit, ma solo per i membri di IBM Q Network. In ogni caso, puoi leggere di più sulla loro tabella di marcia qui.
Qubit in prospettiva
I computer di oggi funzionano con i bit. Un bit può essere zero o uno. L'equivalente nei computer quantistici è chiamato "qubit" e può avere il valore di zero e uno contemporaneamente, incluso tutto ciò che sta nel mezzo. Questo rende il computer quantistico superiore, nel senso che non ci vogliono troppi qubit per superare i supercomputer che abbiamo oggi. Ora, immagina le prestazioni di un computer da un milione di qubit.
Se avremo mega computer quantistici in soli 10 anni (o meno), abbiamo bisogno di alcune serie di reti in fibra e componenti di rete molto intelligenti che le accompagnino. Considerando il tasso di sviluppo in quest'area, avremo bisogno di molte nuove tecnologie che devono ancora essere inventate. Credo che siamo sull'orlo di un super-salto tecnologico che sarà molto più grande e drammatico di qualsiasi cosa abbiamo sperimentato in precedenza.
Sto seguendo con curiosità le aziende che entrano in questo mercato emergente. Stanno conducendo; chi seguirà?
Debolezza quantistica
Nella mia carriera, ho sentito affermazioni su tecnologie come "sicure al 100%" o "questo è il limite assoluto", solo per vederle infrante per altri sei mesi. "Come ottenere una sicurezza di rete incondizionata grazie alla meccanica quantistica" è probabilmente un pensiero altrettanto debole. Le minacce sull'Internet quantistica sono discusse in questo documento creato da Takahiko Satoh, Shota Nagayama, Shigeya Suzuki, Takaaki Matsuo e Rodney Van Meter. Il loro focus è sull'architettura del ripetitore quantistico e sostengono che, poiché un ripetitore include hardware di elaborazione classico, i possibili attacchi sono molto simili a quelli sui sistemi classici.
Considerando che gli attacchi di solito non prendono di mira i punti più forti, che sono le specificità della meccanica quantistica, ci si può ragionevolmente aspettare attacchi ai punti più deboli, che, inevitabilmente, saranno i classici componenti di rete.
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Conclusione
Con i computer quantistici arrivano le reti quantistiche e la migliore tecnologia attuale che abbiamo per questo è la fibra ottica. I qubit che trasportano fotoni di stato quantistico vengono trasferiti attraverso la rete e, grazie alla natura della meccanica quantistica e all '"effetto osservatore", lo stato quantistico non può essere intercettato durante il trasporto. Tuttavia, potrebbe esserci una debolezza nei ripetitori, un componente necessario se si vuole raggiungere una distanza.
Alcune tecnologie devono ancora essere progettate e ci sono molte sfide, ma con un enorme interesse finanziario in una "Internet sicura", i ricercatori hanno tutti i finanziamenti di cui hanno bisogno. I notevoli progressi in quest'area diventano evidenti se si osserva l'enorme quantità di articoli scientifici che vengono pubblicati.
Se può essere costruito, può essere rotto. Il dibattito su sicurezza e crittografia è vivace e non mi aspetto che le forze oscure rimangano inattive, in attesa che la tecnologia quantistica maturi.
I computer e le reti quantistiche sono già qui e nel giro di pochi anni diventeranno disponibili in commercio. Sarai pronto per allora?