Poiché il numero di attacchi informatici e violazioni della sicurezza aumenta rapidamente, gli scienziati affermano che potrebbe esserci un modo per creare una rete davvero inattaccabile utilizzando le leggi della fisica quantistica.

Per approfondire il concetto, gli scienziati stanno creando una rete nell'area di Chicago che sfrutta i principi della fisica quantistica per inviare informazioni. Un tale collegamento potrebbe un giorno costituire la base per una rete veramente sicura, che avrebbe un impatto ad ampio raggio sulle comunicazioni, informatica e sicurezza nazionale. Il governo federale stima che l'attività informatica dannosa sia costata all'economia degli Stati Uniti tra $ 57 miliardi e $ 109 miliardi nel 2016.

La rete quantistica, sostenuto dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), si estenderà tra l'Argonne National Laboratory del DOE e il Fermi National Acceleratory Laboratory, una connessione che dovrebbe essere tra le più lunghe al mondo per inviare informazioni sicure utilizzando la fisica quantistica. L'esperimento "teletrasporterà" informazioni su una distanza di 30 miglia, poiché le particelle cambiano istantaneamente i loro stati quantistici invece di viaggiare tra due punti.

"Questo progetto avvia la costruzione di una rete di comunicazioni basata sugli stati quantistici della materia, offrendo un modo fondamentalmente nuovo per creare e inviare informazioni in modo sicuro, " disse David Awschalom, uno scienziato delle Argonne e il professore di ingegneria molecolare della famiglia Liew all'Università di Chicago, chi è il ricercatore principale del progetto. "Costruiremo un banco di prova nazionale per sviluppare la scienza per l'ingegneria dei sistemi quantistici ed esplorare le proprietà dell'entanglement quantistico, un fenomeno che ha affascinato sia gli scienziati che il pubblico in generale".

Come risultato di una crescente attenzione alla ricerca quantistica tra gli scienziati di Argonne, Fermilab e UChicago, le tre istituzioni hanno formato una partnership, il Chicago Quantum Exchange, coinvolgendo 70 scienziati e ingegneri e mettendo insieme i talenti intellettuali, capacità di ricerca e potere ingegneristico delle tre istituzioni affiliate.

"Questa è la prima volta che qualcuno ha persino pianificato di realizzare una rete quantistica come questa:un permanente, rete di teletrasporto quantistico funzionante a lunghe distanze negli Stati Uniti, " ha dichiarato Joe Lykken, vicedirettore e direttore della ricerca del Fermilab. "Vogliamo dimostrare la tecnologia quantistica abilitante. E vogliamo sfruttare la nostra esperienza per aprire la strada ad altri per creare le proprie reti. Decenni fa, costruire qualcosa del genere sarebbe stato solo un sogno. Ma lo stiamo facendo ora, e presto altri potranno farlo."

"Le strane leggi dei quanti"

La nuova rete di comunicazioni sfrutta le strane leggi della meccanica quantistica, che regolano le interazioni delle particelle più piccole.

Parte dell'interesse per lo sviluppo di sistemi quantistici deriva da una regola della meccanica quantistica che afferma che la misurazione di una particella quantistica ne altera lo stato. Gli scienziati ritengono che un sistema quantistico potrebbe essere virtualmente inattaccabile perché, se qualcuno prova a guardare una trasmissione, sarebbe disturbato, le informazioni distrutte, e i mittenti allertati.

I sistemi quantistici in fase di sviluppo al Fermilab e ad Argonne alla fine attingeranno a un collegamento sotterraneo costruito per la prima volta negli anni '80 per testare il trasferimento dei dati. I cavi in ​​fibra ottica sono ancora indisturbati e funzionanti, hanno detto gli scienziati.

Il modo in cui funziona la rete quantistica consiste nell'"impigliare" le particelle, un'altra stranezza della meccanica quantistica che dice che puoi collegare due (o più) particelle in modo che siano in uno stato condiviso e qualunque cosa accada a una influisce sull'altra, anche se sono a miglia di distanza in quel momento.

Quindi, se gli scienziati condividono una coppia di particelle entangled tra due posizioni, le informazioni quantistiche possono passare, anche se i luoghi sono distanti e non hanno una connessione fisica tra loro. Mentre le informazioni quantistiche sono state "teletrasportate, "Nessun oggetto viene trasportato.

Finora, sistemi come questi sono stati testati in laboratorio e su piccola scala. Anche pochi chilometri di distanza sono stati una sfida, poiché le particelle entangled non devono interagire in alcun modo con il loro ambiente, e gli scienziati devono superare qualsiasi perdita di fotoni emessi dalle particelle e coordinare con precisione i tempi delle loro trasmissioni.

"L'esecuzione del teletrasporto delle informazioni su distanze reali a molte miglia di distanza ci consente di identificare i problemi pratici coinvolti nel funzionamento di una rete quantistica:quali sono le sfide tecnologiche, quanto è sicura la comunicazione, e quali sono i limiti al trasporto di informazioni in questo modo, "Ha detto Awschalom.

"In tutto il mondo esistono banchi di prova quantistici di scala simile. Ma la maggior parte di essi si basa su fotoni entangled, particelle di luce, per teletrasportare informazioni. Il nostro banco di prova è unico in questo, per la prima volta, spingiamo verso un'architettura completamente a stato solido in cui le particelle quantistiche intrappolate nei solidi vengono utilizzate come vettori di informazioni, " ha detto Tian Zhong, assistente professore di ingegneria molecolare presso l'Università di Chicago e scienziato presso Argonne, chi è un co-investigatore principale del progetto.

Al Fermilab, Shang-Yi Ch'en Professore di fisica al Caltech Maria Spiropulu sta attualmente costruendo una rete quantistica in loco con i partner AT&T e Jet Propulsion Laboratory. Hanno iniziato questo sforzo nel 2017, e un anno dopo, Spiropulu e il suo team hanno implementato la rete all'interno del Fermilab e stanno lavorando allo sviluppo di dispositivi migliorati per la distribuzione dell'entanglement a lunga distanza. Il loro obiettivo è quello di estendere eventualmente quella rete per far parte del più grande collegamento Fermilab-Argonne.

"La rete di dispositivi quantistici è importante per scalare il calcolo quantistico e progettare sistemi di comunicazione ibridi verso un Internet potenziato dalla quantistica, " Spiropulu ha detto. "Ci vorrà una collaborazione deliberata tra i laboratori di ricerca del governo, accademico, industria e fondazioni per arrivarci. Il programma Chicago Quantum Exchange catalizzerà i progressi in tutte queste aree".

L'8-9 novembre, scienziati di Argonne, Fermilab e UChicago si riuniranno con l'industria, leader accademici e governativi sul campo per il Chicago Quantum Summit, un programma che esplora il futuro dell'informatica quantistica e della scienza dell'informazione.

Un evento pubblico nella città di Chicago intitolato "Ingegneria quantistica:la prossima corsa agli armamenti tecnici, " con una conversazione tra Awschalom e Hartmut Neven, direttore del laboratorio di intelligenza artificiale quantistica di Google, si terrà nell'ambito del vertice.

Il lavoro sullo sviluppo della rete quantistica Argonne-Fermilab è supportato dal DOE Office of Science.