Nobel 2022 e tecnologie quantistiche nella difesa e nella sicurezza

(di Antonino Lombardi)
08/10/22

L'Accademia Reale Svedese delle Scienze ha premiato Alain AspectJohn F. Clauser, Anton Zeilinger con il premio Nobel per la Fisica 2022 "per esperimenti con fotoni entangled, stabilendo la violazione delle disuguaglianze di Bell e pionieristica scienza dell'informazione quantistica".

La ricerca avanza sempre più su campi quali computer quantistici e comunicazione crittografata quantistica sicura ed il punto di svolta è il modo in cui la meccanica quantistica1 (MQ) consente a due o più particelle di esistere in quello che viene chiamato uno stato entangled. Ciò che accade a una delle particelle in una coppia impigliata determina cosa succede all'altra particella, anche se sono molto distanti.

Le tecnologie quantistiche sono tecnologie a duplice uso e, in quanto tali, sono di interesse per l'industria della difesa e della sicurezza e per enti militari e governativi. Le tecnologie quantistiche per applicazioni militari introducono nuove capacità, migliorando l'efficacia e aumentando la precisione, portando così alla "guerra quantistica”2. La tecnologia quantistica non porta fondamentalmente nuove armi o sistemi militari autonomi ma piuttosto migliora significativamente la capacità di misurazione, il rilevamento, la precisione e la potenza di calcolo e l'efficienza della tecnologia militare attuale e futura. 

Ma quali sono le possibili applicazioni future delle tecnologie derivanti dagli studi sulla fisica quantistica?

Certo è che la piena comprensione della meccanica quantistica non è proprio un esercizio semplicissimo “presenta ostacoli concettuali e formali notevoli e impone un cambiamento di modi di pensare, immaginare e ragionare che può essere molto faticoso.”3 Nonostante ne siamo spesso inconsapevoli, le tecnologie derivanti dalla MQ sono davanti ai nostri occhi. Esempi della prima generazione di tecnologie quantistiche sono semiconduttori e transistor; ora, con gli studi avanzati su sovrapposizione ed entanglment è in corso la seconda generazione

In questa sede cercheremo di approcciare a temi piuttosto complessi privandoci del fascino di ripercorrere ed esporre alcuni concetti, ancorché basilari, di meccanica quantistica e delle nozioni di matematica avanzata a loro supporto sperando di riuscire nell’intento di esprime concetti complicati con parole “semplici”.

Possiamo dire che la meccanica quantistica descrive la materia e la radiazione in tutti i suoi aspetti, in particolare per quanto riguarda i fenomeni microscopici, che avvengono cioè su scala atomica. Le leggi quantistiche non sono deterministiche ma probabilistiche. Non possono, cioè, prevedere gli eventi che accadranno nell’evoluzione di un sistema fisico ma solo le probabilità con cui diversi eventi potranno occorrere.

Questo approccio probabilistico ha condotto ad una migliore comprensione di alcune proprietà chiave delle particelle quantistiche che sono alla base delle tecnologie quantistiche, in particolare la "sovrapposizione" e l'entanglement stimolando lo sviluppo di dette tecnologie di prossima generazione come il rilevamento quantistico, l’informatica quantistica ed il calcolo quantistico.

Nel contesto della difesa e della sicurezza andiamo ad analizzare molto brevemente alcune applicazioni derivanti dagli studi effettuati sulla meccanica quantistica.

I sensori quantistici raggiungono livelli estremi di precisione sfruttando la natura quantistica della materia, utilizzando la differenza tra, ad esempio, elettroni in diversi stati energetici come unità di base. Essi potrebbero essere utilizzati nel rilevamento di sottomarini e velivoli stealth nonché per permettere di navigare senza la necessità di riferimenti esterni come il GPS, utilizzando dispositivi PNT quantistici (dispositivi di posizione, navigazione e cronometraggio).

Le tecnologie quantistiche potranno migliorare i sistemi di posizionamento, navigazione e temporizzazione (PNT), in particolare la navigazione inerziale. Il vantaggio quantistico si manifesterà per ambienti operativi GPS, consentendo di porre in essere operazioni precise.

Gli attuali GNSS (Global Navigation Satellite System) si basano su tempi precisi forniti attraverso più orologi atomici nei singoli satelliti che vengono corretti dagli orologi atomici più stabili a terra. La maggiore precisione dell'orologio quantistico aumenterà anche la precisione del posizionamento e della navigazione. La tecnologia GNSS è soggetta a jamming ed in ambienti sotterranei o sottomarini, essa non è affatto disponibile. La soluzione è la navigazione inerziale. Il problema con la navigazione inerziale classica è la perdita di precisione nel tempo (deriva di 1,8 km/giorno per navi e sottomarini e di 1,5 km/ora per aerei militari). Per un esercito moderno, al fine di migliorare le operazioni sul campo di battaglia, è indispensabile disporre di misurazioni il più precise possibili. Nella guerra subacquea quantistica, i sottomarini possono essere i primi ad adottare la navigazione inerziale quantistica adoperando magnetometri quantistici come strumento principale per il rilevamento di sottomarini o mine sottomarine applicando il rilevamento basato su fotorivelatori quantistici, radar, lidar o gravimetri.

Altro campo è l'imaging quantistico che offre applicazioni come il radar quantistico che potrebbe essere utilizzato per la guerra spaziale. I vantaggi teorici e le caratteristiche del radar quantistico sono una maggiore resistenza jamming e ad altre contromisure di guerra elettronica; la potenza del segnale di uscita è così bassa che sarà invisibile alle misure di guerra elettronica. Oltre agli alti costi, lo scetticismo rimane sul rilevamento di bersagli furtivi o sulla resistenza all'inceppamento.

Altre applicazioni nel settore riguarda il lidar quantistico che utilizza fotoni ottici o quasi ottici e potrebbe essere utilizzato per l'illuminazione del bersaglio a brevi distanze operando radar di sorveglianza anti-drone o come parte di un complesso Short Range Air Defense.

L’informatica quantistica porta con se la c.d. “minaccia quantistica” e come noto per i militari le comunicazioni e le informazioni sicure sono di preminente importanza. Il premio Nobel Zeilinger ha dimostrato un fenomeno chiamato teletrasporto quantistico che consente efficacemente la trasmissione di informazioni a distanza.

Nella scienza dell'informazione classica, il vettore elementare di informazioni è un bit che può essere solo 0 o 1. Il vettore elementare di informazioni quantistiche è il bit quantistico, qubit. Un qubit può essere | 0⟩| 0⟩ o | 1⟩| 1⟩4, o una combinazione lineare complessa arbitraria di stati | 0⟩| 0⟩ e | 1⟩| 1⟩ chiamata sovrapposizione quantistica. L'altra importante proprietà è l'entanglement quantistico. Esso si riferisce a una forte correlazione tra due o più qubit.

Mentre i computer classici eseguono calcoli utilizzando cifre binarie (0 o 1), i computer quantistici rappresentano informazioni utilizzando i qubit che possono essere in entrambi gli stati contemporaneamente e possono anche influenzarsi a vicenda anche se non sono fisicamente connessi. Altre differenze sono la c.d. interferenza ovvero la possibilità dei qbit di essere entangled cioè essere intrecciati tra loro con conseguente stretta correlazione tra loro.

L'entanglement condiviso su scala globale consentirà ai computer quantistici di lavorare insieme per risolvere problemi complessi che sono inaccessibili con i supercomputer di oggi

Come detto, Zeilinger ha dimostrato il teletrasporto dello stato dei singoli qubit e ha anche mostrato come l'entanglement condiviso possa essere trasformato in chiavi segrete condivise che consentirebbero comunicazioni sicure le cui promesse di sicurezza derivano dal fatto che le leggi della fisica quantistica sono vere. I computer quantistici potendo effettuare una notevole mole di calcoli contemporaneamente possono avere applicazioni quali la “fattorizzazione dei numeri interi, che consente la decrittografia dei protocolli di sicurezza informatica più comunemente utilizzati”. Le reti quantistiche "promettono un meccanismo di comunicazione intrinsecamente sicuro che consentirà la trasmissione sicura delle informazioni, anche quando attaccate dagli avversari con computer quantistici".

La prima applicazione della comunicazione quantistica è chiamata Quantum Key Distribution (QKD) che utilizza particelle quantistiche per lo scambio di chiavi crittografiche. In QKD, i dati effettivi vengono trasmessi su un'infrastruttura di comunicazione tradizionale utilizzando bit normali, tuttavia, le chiavi crittografiche necessarie per decrittografare i dati vengono trasmesse separatamente utilizzando particelle quantistiche. Per la difesa questa tecnologia sarà interessante quando la comunicazione a lunga distanza utilizzando MDI-QKD o ripetitori quantistici diventerà possibile. Attualmente, è disponibile una tecnologia commerciale di base che utilizza ripetitori affidabili. Oltre al QKD, la rete quantistica potrebbe essere utilizzata per la comunicazione diretta quantistica sicura (QSDC) tra spazio, forze speciali, marina e risorse terrestri. 

L'altra applicazione è la crittografia quantistica basata sulla posizione che può offrire una comunicazione più sicura, in cui le informazioni a cui si accede saranno disponibili solo da una particolare posizione geografica, come la comunicazione con satelliti militari solo da particolari basi militari.

Le tecnologie militari hanno requisiti più esigenti rispetto alle applicazioni industriali o pubbliche. Le tecnologie quantistiche possono avere un impatto su tutti i domini della guerra moderna. La seconda rivoluzione quantistica migliorerà la sensibilità e l'efficienza, introdurrà nuove capacità e affinerà le moderne tecniche di guerra piuttosto che portare a nuovi tipi di armi. Non dimentichiamo che molte applicazioni sono ancora più teoriche che realistiche ed i progressi di laboratorio non sempre si traducono al di fuori di essi con lo stesso successo.

1 La guerra quantistica è una guerra che utilizza tecnologie quantistiche per applicazioni militari che influenzano l'intelligence, la sicurezza e le capacità di difesa di tutti i domini della guerra, e introduce nuove strategie militari, dottrine, scenari e pace, nonché questioni etiche.

2 D.J. Griffiths “Introduction to quantum mechanics”; G. Nardulli “Meccanica quantistica voll. 1 – 2”

3 U. Besson “Didattica della fisica”

4 Notazione bra-ket o formalismo di Dirac.

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