La prima comunicazione quantistica via satellite

I quattro diversi stati di polarizzazione dei fotoni possono essere preservati efficacemente anche trasmettendo impulsi laser su satelliti in orbita a una quota di 1000 chilometri e facendoli riflettere verso strumenti a terra. Lo dimostra un nuovo studio italiano che apre la strada alla crittografia quantistica nelle comunicazioni satellitarisatellite

L’informazione codificata nello stato quantistico dei fotoni si conserva quando queste particelle elementari sono inviate verso satelliti in orbita a migliaia di chilometri dalla Terra e vengono riflessi sul nostro pianeta. Lo ha dimostrato da uno studio tutto italiano presentato in anteprima il 24 giugno scorso e ora pubblicato su “Physical Review Letters” a firma di Paolo Villoresi dell’Università di Padova e colleghi del Matera Laser Ranging Observatory dell’Agenzia spaziale italiana (ASI) e della società e-GEOS di Matera. Il risultato, oltre a verificare alcuni principi fondamentali della meccanica quantistica, dimostra come le tecniche di crittografia quantistica in futuro potrebbero essere implementate nelle comunicazioni via satellite.
Schema dell’esperimento effettuato da Villoresi e colleghi: una serie di impulsi laser vengono inviati dall’Osservatorio di Matera verso cinque satelliti in orbita a circa 1000 chilometri di quota. I segnali sono poi riflessi indietro conservando lo stato di polarizzazione iniziale (Cortesia APS/alanstonebraker)Gli autori hanno usato la tecnica della distribuzione a chiave quantistica, indicata con la sigla QKD, basata sulla polarizzazione dei fotoni, e ne hanno trasposto i principi fondamentali alle comunicazioni da terra a satelliti in orbita a una quota di circa 1000 chilometri. Si tratta di una tecnica sviluppata diverso tempo fa che sfrutta quattro possibili stati di polarizzazione di un singolo fotone – orizzontale, verticale, circolare verso sinistra e circolare verso destra – per trasmettere la “chiave” che consente a due interlocutori di interpretare correttamente il segnale scambiato. La segretezza del segnale è garantita dal fatto che la chiave non può essere intercettata senza che i due interlocutori se ne accorgano. Di recente le ricerche in questo campo hanno avuto un notevole sviluppo: i protocolli oggi disponibili basati sulla QKD possono trasmettere segnali ad alta velocità e su lunghe distanza sia in aria sia lungo fibre ottiche.
La tecnica sviluppata da Villoresi e colleghi si basa sull’invio di una serie di impulsi laser, ciascuno

dei quali ha uno dei quattro possibili stati di polarizzazione, dall’osservatorio di Matera a cinque satelliti equipaggiati con dispositivi in grado di riflettere la luce. Quattro di questi dispositivi erano in grado anche di preservare lo stato di polarizzazione della luce, ma non il quinto. Una volta ritornati all’osservatorio, gli impulsi venivano rilevati da appositi strumenti. Nel caso dei segnali riflessi dai quattro satelliti con conservazione dello stato di polarizzazione, quest’ultimo poteva essere rilevato con un errore paragonabile a quelli dei sistemi QKD. Il quinto, come previsto, era affetto da un errore troppo grande secondo gli standard della QKD.
“Grazie all’esperimento, frutto di 12 anni di ricerche, è stato possibile dimostrare la fattibilità dello scambio di un messaggio cifrato inviolabile via satellite a una distanza mai raggiunta e di verificare alcuni principi di base della meccanica quantistica, come il mantenimento dello stato di un fotone su un canale di telecomunicazioni”, ha spiegato Villoresi durante la presentazione dello scorso giugno. “Scambiare stati quantistici tra corrispondenti distanti via terra presenta alcune limitazioni, tra cui per esempio la curvatura terrestre, che l’utilizzo di satelliti ci permette di superare”.
“C’è una gara in atto a livello mondiale tra chi riesce a comunicare dalla distanza più lunga utilizzando un segnale quantistico”, ha commentato Roberto Battiston, presidente dell’ASI. E l’Italia “non solo ha battuto grandemente il precedente record che era di 144 chilometri, ma lo ha fatto per la prima volta con un satellite nello spazio”.
Il risultato, ottenuto grazie a satelliti e tecniche di comunicazione convenzionali e solo con lievi modifiche agli strumenti a terra, rappresenta un primo passo verso l’implementazione delle tecniche di comunicazione quantistica nelle trasmissioni satellitari. Affinché queste tecniche diventino operative e affidabili occorrono però alcuni sviluppi importanti: l’estensione della portata dei segnali oltre i 1000 chilometri dello studio, l’installazione di alcuni componenti ottici fondamentali per la riflessione dei segnali e infine l’analisi rigorosa della sicurezza dei segnali stessi.

 

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