Laboratorio di circuiti elettronici quantistici per la Metrologia. INRiM, progetti MetSuperQ 23FUN08, 23FUN07 QuAHMET.
INRiM gioca un ruolo chiave nell’ambito delle tecnologie quantistiche, che aprono nuove opportunità per l’industria, la ricerca e la società.
di Sofia Cairo
Tecnologie quantistiche (TQ), partiamo da qui. Di che cosa si tratta innanzi tutto? Di tecnologie che, per rendere concrete applicazioni innovative, sfruttano le peculiarità della fisica quantistica, ovvero di quella branca della scienza che studia il comportamento delle particelle più piccole della natura, come atomi, elettroni e fotoni, caratterizzate da fenomeni come la sovrapposizione e l’entanglement.
Un tempo relegati al mondo della teoria, questi fenomeni sono oggi alla base di strumenti e dispositivi capaci di manipolare le singole particelle quantistiche con un livello di precisione mai raggiunto prima. Questo traguardo, frutto di vent’anni di progressi, ha dato origine a quella che gli esperti chiamano “seconda rivoluzione quantistica”, un cambio di paradigma che sta aprendo nuove opportunità e ponendo interessanti sfide per l’industria, la ricerca e la società.
Come coordinatore della European Metrology Network for Quantum Technologies, cioè della rete coordinata da EURAMET-European Association of National Metrology Institutes che ha l’obiettivo di supportare lo sviluppo, l’implementazione e l’adozione delle tecnologie quantistiche in Europa attraverso la metrologia, l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica di Torino (INRiM) gioca un ruolo cruciale in questa rivoluzione e fondamentalmente lo fa in due modi. Da un lato, fornisce sistemi avanzati di misurazione per garantire precisione e affidabilità alle tecnologie quantistiche. Dall’altro, supporta lo sviluppo di standard internazionali indispensabili per trasformare l’innovazione in applicazioni concrete destinate al mercato globale.
Dorsale di comunicazione quantistica italiana in fibra ottica coordinata da INRiM. Italian - Quantum Backbone, progetto QUID-EuroQCI.
UN ISTITUTO IN PRIMA LINEA
“Sono tante”, afferma Marco Gramegna, ricercatore dell’INRiM, “le grandi aziende e le startup che, negli ultimi anni, hanno cominciato a investire in questa direzione, sviluppando e ingegnerizzando dispositivi quantistici e integrandoli nei loro prodotti”. Anche l’Europa è in prima linea in questo contesto, grazie all’iniziativa Quantum Flagship, lanciata nel 2018 dalla Commissione Europea e seguita da diverse iniziative nazionali. L’obiettivo è avviare un’industria europea competitiva nell’ambito delle tecnologie quantistiche, rendendo il Vecchio Continente un polo attrattivo per ricerca, business e investimenti nel settore, e favorendo innovazioni nell’ingegnerizzazione di dispositivi in tre ambiti chiave: computazione quantistica, comunicazione quantistica e metrologia e sensing quantistici. Le necessarie tecnologie abilitanti per le TQ si collocano in maniera trasversale a tali domini, così come la ricerca scientifica di base.
Sistemi di distribuzione di chiavi quantistiche (QKD) per comunicazioni quantistiche su dorsale in fibra ottica (segmento terrestre) e satellitare. INRiM, progetti 19NRM06 MeTISQ, EQUO.
LA COMPUTAZIONE QUANTISTICA
I computer quantistici, strumenti che sono il fulcro della computazione quantistica, hanno proprio la funzione di risolvere problemi specifici a una velocità esponenzialmente superiore rispetto ai computer classici. “Ciò è possibile,” spiegano dall’INRiM, “perché utilizzano i qubit (quantum bit), che a differenza dei bit tradizionali (0 o 1), possono trovarsi in una sovrapposizione di stati, rappresentando sia 0 che 1 simultaneamente. Una caratteristica, quest’ultima, che amplia enormemente le possibilità di calcolo”.
Nella maggior parte dei casi, i computer quantistici operano in architetture ibride, integrandosi con i sistemi classici per sfruttare al meglio le potenzialità di entrambi. Questa tecnologia si distingue per il suo potenziale nell’affrontare con maggiore efficienza una vasta gamma di problemi, come fattorizzazione di grandi numeri, simulazione di sistemi complessi, machine learning, intelligenza artificiale, ottimizzazione e ricerca in ampi database.
LA COMUNICAZIONE QUANTISTICA
Secondo ambito chiave nel campo delle tecnologie quantistiche è la comunicazione quantistica, ovvero la possibilità di trasmettere informazioni sfruttando le proprietà dei qubit. Codificando fisicamente l’informazione su singoli fotoni, è infatti possibile creare reti di comunicazione altamente sicure, capaci di resistere alle minacce poste dai cosiddetti quantum hackers, che altrimenti, utilizzando computer quantistici per decifrare numeri complessi con estrema rapidità, potrebbero rendere inefficaci i classici protocolli di crittografia computazionale.
“Le soluzioni più promettenti in ambito cybersicurezza si basano su un approccio ibrido”, prosegue Gramegna, “che integra algoritmi di crittografia post-quantum (PQC) con la distribuzione di chiavi crittografiche quantistiche (Quantum Key Distribution o QKD), garantendo così un elevato livello di protezione. Guardando al futuro, la prospettiva più affascinante è lo sviluppo di un vero e proprio Internet quantistico, una rete globale capace di sfruttare le potenzialità della comunicazione quantistica”.
Laboratorio INRiM di ottica quantistica e metrologia per le tecnologie quantistiche. Qui si sviluppano, per esempio, sorgenti di stati entangled a singolo fotone, quantum imaging e sensori quantistici.
METROLOGIA E SENSING
Grazie alle loro straordinarie potenzialità, la metrologia e il sensing quantistici si configurano come un elemento cruciale nel guidare l’impatto trasformativo delle tecnologie quantistiche sulla società e sull’economia globale, e rappresentano il terzo ambito chiave accanto alla computazione quantistica e alla comunicazione quantistica.
I sensori quantistici, in particolare, sono dispositivi in grado di misurare grandezze fisiche con una sensibilità e una risoluzione nettamente superiori a quelle dei sensori tradizionali. Questi strumenti trovano applicazione in settori strategici come l’elettronica quantistica, gli orologi atomici, i sensori atomici e la fotonica quantistica, e promettono di avere un impatto significativo in numerosi ambiti applicativi: diagnostica medica, navigazione satellitare, geodesia, imaging quantistico e rilevazione di inquinanti atmosferici. Offrono, inoltre, soluzioni innovative per la ricerca di risorse naturali come idrocarburi e minerali e per la sincronizzazione di reti e la marcatura temporale ad altissima precisione.
UN PUNTO DI RIFERIMENTO
“In un contesto in cui le tecnologie quantistiche stanno conoscendo una crescente diffusione”, spiegano ancora all’INRiM, “il nostro Istituto sta sviluppando un sistema integrato e distribuito di servizi di metrologia quantistica per rispondere alle nuove esigenze di misurazione in questo settore. Grazie alla gestione dei campioni metrologici primari (SI), possiamo assicurare precisione e affidabilità, sostenendo così il progresso e l’applicazione concreta di queste tecnologie”.
Data l’elevata competitività internazionale nel settore, l’INRiM contribuisce inoltre al processo di standardizzazione delle tecnologie quantistiche in collaborazione con enti come ETSI, IEC/ISO JT3, CEN CENELEC JTC22, UNI, CEI e HLF-WS16 Q. Un processo, questo, prioritario non solo perché risponde alla necessità di certificare tali tecnologie, rappresentando un passaggio cruciale nel collegare ricerca e innovazione al mercato, ma anche perché valorizza tecniche e metodi altamente innovativi che hanno raggiunto un livello significativo di maturità. ©TECN’È
Orologio quantistico ad atomi neutri di itterbio operante nel dominio ottico (Settore Tempo e Frequenza INRiM).