Una ricerca italiana pubblicata su Advanced Quantum Technologies esplora nuove lunghezze d’onda per distribuire chiavi crittografiche attraverso l’atmosfera. Le simulazioni indicano possibili vantaggi per collegamenti più affidabili, con prospettive anche per le comunicazioni satellitari.
La sicurezza delle comunicazioni del futuro passa anche dalla capacità della luce di attraversare l’atmosfera. Nebbia, particelle sospese e turbolenze possono indebolire i segnali ottici, rendendo più difficile lo scambio di informazioni quantistiche. Uno studio italiano propone di affrontare questa sfida utilizzando il medio infrarosso, una regione dello spettro elettromagnetico ancora poco esplorata per queste applicazioni.
La ricerca, pubblicata sulla rivista Advanced Quantum Technologies, nasce dalla collaborazione tra l’Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-INO) e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), con il contributo dell’Università di Firenze e di QTI S.r.l. Al centro del lavoro c’è la possibilità di rendere più robusti i collegamenti quantistici che trasmettono segnali luminosi nell’aria.
Perché il medio infrarosso interessa le comunicazioni quantistiche
Parlare di un diverso “colore” della luce è un modo intuitivo per descrivere il cambiamento della sua lunghezza d’onda. Il medio infrarosso è invisibile all’occhio umano e presenta lunghezze d’onda maggiori rispetto alla luce visibile e a quelle comunemente impiegate nelle telecomunicazioni in fibra ottica.
L’atmosfera, però, non si comporta allo stesso modo per tutte le lunghezze d’onda. In alcune regioni dello spettro, chiamate finestre di trasmissione, la radiazione luminosa incontra condizioni più favorevoli alla propagazione.
La scelta della banda spettrale diventa quindi una variabile importante quando il segnale deve viaggiare tra due punti senza essere guidato da una fibra. È il caso dei collegamenti ottici tra edifici o stazioni terrestri e, in prospettiva, delle connessioni con i satelliti.
Che cosa mostrano le simulazioni dello studio italiano
Gli autori hanno simulato la distribuzione quantistica delle chiavi, confrontando sistemi nel vicino e nel medio infrarosso in diversi scenari meteorologici. I risultati indicano che il medio infrarosso può offrire vantaggi, soprattutto in alcune condizioni di scarsa visibilità.
Le prestazioni dipendono anche dai dispositivi di ricezione: un segnale che attraversa meglio l’atmosfera deve poter essere rilevato con sufficiente efficienza. Il vantaggio, quindi, varia con la configurazione del sistema e con le condizioni ambientali.
Paolo De Natale, direttore del CNR-INO, sottolinea il potenziale di questa regione spettrale per la trasmissione di segnali al livello dei singoli fotoni, le particelle elementari della luce. Secondo il ricercatore, l’esplorazione di nuove bande ottiche può contribuire anche allo sviluppo di sensori quantistici e di applicazioni spaziali.
Chiavi quantistiche e cybersecurity: qual è il legame
La Quantum Key Distribution (QKD) permette a due interlocutori di condividere una chiave crittografica sfruttando le proprietà della fisica quantistica. Questa chiave può poi essere utilizzata per proteggere le comunicazioni.
Il processo comprende la trasmissione e la misura di stati quantistici, seguite dall’elaborazione dei risultati attraverso un canale classico autenticato.
Rendere più affidabile il collegamento ottico significa migliorare le condizioni nelle quali queste chiavi possono essere distribuite. È questo il legame tra lo studio della propagazione della luce e lo sviluppo di infrastrutture per la sicurezza dei dati.
Le prospettive per le comunicazioni satellitari
L’interesse dell’ASI riguarda anche la possibilità di estendere queste tecnologie ai collegamenti tra Terra e spazio. Le connessioni satellitari potrebbero contribuire alla distribuzione di chiavi quantistiche su distanze ampie, integrandosi con le reti terrestri.
Giancarlo Varacalli, responsabile dell’Ufficio di Telecomunicazione e Navigazione dell’Agenzia Spaziale Italiana, evidenzia come l’impiego di nuove regioni dello spettro ottico possa offrire maggiore flessibilità alle future reti sicure. La collaborazione con il CNR-INO sostiene l’esplorazione di soluzioni da sviluppare verso possibili applicazioni spaziali.
EuroQCI e il contributo della ricerca italiana
Questa prospettiva si inserisce nel percorso della European Quantum Communication Infrastructure (EuroQCI), l’iniziativa europea per costruire un’infrastruttura di comunicazione quantistica che integri componenti terrestri e spaziali. La distribuzione quantistica delle chiavi rappresenta uno dei suoi elementi centrali.
La collaborazione tra ASI e CNR-INO si è consolidata attraverso progetti nazionali ed europei. Tra quelli richiamati dagli enti figurano PRIN QUAQK, l’accordo Q-ASINO, coordinati da Mario Siciliani de Cumis, e QUID – Quantum Italy Deployment.
Dai modelli alle applicazioni: il ruolo dei rivelatori
Lo studio individua una direzione di sviluppo, da verificare e tradurre in sistemi operativi. Gli autori segnalano che i rivelatori di singoli fotoni nel medio infrarosso devono ancora raggiungere prestazioni adeguate a sfruttare pienamente i vantaggi previsti.
Una prospettiva è integrare più lunghezze d’onda nella stessa architettura, combinandone i punti di forza per aumentare la flessibilità delle reti.
La ricerca italiana porta così l’attenzione su una scelta fondamentale per le future comunicazioni quantistiche: quale luce utilizzare, con quali strumenti e in quali condizioni, per mantenere affidabile lo scambio delle chiavi crittografiche.
