Uno dei grandi vantaggi della comunicazione quantistica sta nell’abilità di inviare messaggi da un punto dello spazio a un altro in totale sicurezza. Non è altrettanto grandioso il fatto che la cosiddetta crittografia quantistica sia limitata a distanze di circa cento chilometri. Questo limite è dovuto al fatto che, sulle lunghe distanze, i fotoni tendono a essere assorbiti dal vetro nei cavi in fibra ottica e dall’atmosfera quando vengono inviati da una posizione a un’altra. Si verificano così degli errori troppo grandi per garantire la privacy assoluta dei messaggi.
Esiste però una potenziale soluzione — l’invio dei fotoni a un vascello in orbita che ritrasmette poi il messaggio quando passa sopra un altro punto del pianeta. Il processo è possibile perché i fotoni devono semplicemente attraversare poche decine di chilometri di atmosfera prima di arrivare allo spazio. Non è una sorpresa, quindi, che Governi in tutto il mondo siano pronti a sfruttare la crittografia quantistica nello spazio. L’anno scorso avevamo raccontato di un team cinese che aveva riflesso con successo dei fotoni individuali da un satellite in orbita, e simulato l’invio di fotoni da un satellite alla terra.
Il team cinese aveva detto che la dimostrazione aveva costituito un momento cruciale per la crittografia quantistica spaziale. Ciononostante, l’abilità di inviare fotoni singoli dall’orbita e di riceverli a terra non è sufficiente. Un elemento fondamentale sta nella percentuale di errore di questo processo. Se il tasso di errore supera l’undici percento, la crittografia quantistica non funziona. Una domanda importante alla quale occorre trovare risposta in fretta è quindi se il tasso di errore è sufficientemente ridotto.
Oggi, una prima risposta ci arriva dal lavoro di Giuseppe Vallone dell’Università di Padova e di alcuni suoi colleghi. Il team ha fatto rimbalzare alcuni fotoni polarizzati da diversi satelliti e misurato il tasso di errore nei fotoni che ritornavano a terra, e i risultati sono stati positivi. Il tasso di errore può infatti essere tenuto al di sotto della soglia massima.
Ecco un po’ di background. Un problema che affligge i ricercatori interessati a collaudare la crittografia quantistica nello spazio consiste nella mancanza di un vascello spaziale capace di produrre fotoni coerenti in grado di trasportare le informazioni. I ricercatori devono infatti far rimbalzare i fotoni sui satelliti concepiti per riflettere la luce verso la terra. Questi satelliti vengono solitamente utilizzati per misurazioni geodetiche della forma della Terra monitorando i piccoli cambiamenti nella loro orbita. Per riuscirvi, questi vascelli sono equipaggiati con specchi denominati catarifrangenti ad angolo cubo per misurazioni laser dal suolo. Per la crittografia quantistica, non basta riflettere un fotone. Occorre preservarne anche la polarizzazione. Questi catarifrangenti devono quindi disporre di rivestimenti metallici piuttosto che di riflettori privi di rivestimenti o dotati di rivestimenti dielettrici, che non conservano la polarizzazione.
Vallone e colleghi hanno scelto di usare quattro satelliti in orbita bassa attorno alla Terra che disponevano proprio di questi catarifrangenti ad angolo cubo: il Jason-2, il Larets, Stella e Starlettte. Per un confronto, hanno persino utilizzato il satellite giapponese Ajisai, che monta catarifrangenti ad angolo cubo privi di rivestimento. Il team ha utilizzato le attrezzature del Matera Laser Ranging Observatory, nel sud Italia, per far rimbalzare fotoni polarizzati su ciascuno di questi satelliti e misurare quelli di ritorno, prestando una particolare attenzione al tasso di errore nel bit quantico. Il tasso di errore con il satellite Ajisai arrivava quasi al 50 per cento, un valore prevedibile su un dispositivo che distrugge la polarizzazione delle informazioni. Al contrario, i tassi di errore degli altri vascelli si aggiravano intorno all’undici percento. «Il tasso di errore nel bit quantico è stato riscontrato sufficientemente basso da dimostrare la fattibilità di protocolli di informazione quantistica come la distribuzione per chiave quantistica attraverso un canale spaziale», hanno detto.
Si tratta di un utile passo in avanti nella corsa a canali di comunicazione sicura fra varie parti del pianeta. Quest’area di ricerca ha buone probabilità di progredire in fretta, visti gli ovvi vantaggi sui canali di comunicazione convenzionali. Non è una sorpresa, quindi, che i ricercatori cinesi ed europei siano tanto interessati a conquistare questo dominio. L’anno scorso, i cinesi avevano annunciato l’intenzione di lanciare nel 2016 un vascello denominato Chinese Quantum Science Satellite e concepito appositamente per collaudare queste teorie. Gli scienziati europei hanno invece proposto un esperimento per le comunicazioni quantistiche che potrebbe essere inviato sulla Stazione Spaziale Internazionale.
I piani degli Stati Uniti sono molto più incerti. Questo potrebbe essere dovuto al fatto che gli esperimenti vengono ancora condotti a porte chiuse. D’altra parte, gli Stati Uniti potrebbero anche essersi mobilitati in ritardo. La loro competenza in questo campo potrebbe anche essere pari a quella degli altri Paesi, ma per il momento possiamo anche ipotizzare che saranno gli altri ad arrivare prima al traguardo.
