Misure e crittografia di rete

LA STORIAago 23, 2022

Prossima fermata: prossima generazione

Come le soluzioni di misura, collaudo e crittografia di rete rendono possibili le nuove applicazioni della tecnologia quantistica

Sia nel settore pubblico che in quello privato si stanno investendo miliardi nelle tecnologie quantistiche. Le tappe della progressiva evoluzione delle tecnologie quantistiche riportate dai media si susseguono rapidamente. Applicazioni visionarie nell’ambito della tecnologia dei sensori, del calcolo e delle comunicazioni sembrano ormai vicinissime. Le soluzioni di misura e collaudo (T&M) ad alta precisione di Rohde & Schwarz consentono alle istituzioni scientifiche, industriali e pubbliche di svolgere prove specifiche su singoli sistemi quantistici. Inoltre, gli esperti di crittografia dell’azienda stanno portando le comunicazioni sicure basate sulla tecnologia quantistica fuori dai laboratori di ricerca per utilizzarle in diverse applicazioni pratiche.

Ritratto di Ping Loke

“Il calcolo quantistico, i sensori quantistici e le comunicazioni quantistiche sono tre tecnologie dal potenziale dirompente”

Ping Loke, Vicepresidente Esecutivo, Corporate R&D

Anche solo guardando all’entità degli investimenti, è facile comprendere quale sia il potenziale attribuito alle tecnologie quantistiche. Oltre ai finanziamenti in ben noti fondi di capitale di rischio, miliardi di risorse pubbliche vengono convogliati in fondi di ricerca nazionali e transnazionali.

Il Ministero Federale dell’Istruzione e della Ricerca tedesco, ad esempio, ha istituito un fondo per la tecnologia quantistica di 2,6 miliardi di euro. L’iniziativa Quantum Flagship dell’UE ha un budget di almeno 1 miliardo di euro, mentre il National Quantum Initiative Act degli Stati Uniti ha stanziato 2 miliardi di dollari americani.

"Nelle ultime due decenni abbiamo assistito a un vero e proprio boom della ricerca. Ora al centro dell’attenzione c’è la seconda generazione della tecnologia quantistica."
Ping Loke, Vicepresidente Esecutivo, Corporate R&D

Gli effetti quantistici sono diventati parte della nostra quotidianità. Gli smartphone moderni, ad esempio, contengono diverse centinaia di miliardi di transistor, che risiedono principalmente nei chip di memoria flash. La loro funzione, ossia il controllo di corrente e tensione, è basata sulle proprietà della meccanica quantistica tipiche dei semiconduttori. La prima generazione sfrutta gli effetti quantistici naturali. La seconda generazione della tecnologia quantistica, invece, si basa sulla creazione e sul controllo di singoli stati quantistici.

Tecnologia quantistica 2.0: che cosa possiamo aspettarci?

Medicina personalizzata

Medicina personalizzata

Medicina personalizzata - Ognuno di noi è diverso, come diverse sono le malattie che possono colpirci. Le cellule tumorali, ad esempio, non sono uguali in tutti gli individui e spesso si modificano nel tempo. Tali differenze e variazioni sono già ben documentate in termini analitici, pertanto la quantità di dati di cui si dispone è enorme. Il concetto di “Big Data” è onnipresente. Tuttavia, valutare questi dati in modo rapido ed efficace per sviluppare forme di trattamento personalizzate è impossibile per i computer tradizionali.

Potenziamento delle catene di fornitura

Potenziamento delle catene di fornitura

Potenziamento delle catene di fornitura - I flussi globali di merci raggiungono ogni angolo della terra e ormai ogni cosa è a portata di clic, dal nuovo tablet per uso domestico agli omaggi per le feste aziendali. Dietro a tutto questo, però, esiste una rete logistica complessa di produttori, fornitori di beni e servizi, commercianti, aziende di trasporti, corrieri e molto altro. Basta un piccolo rallentamento delle operazioni presso un terminal container o una variazione del prezzo dei beni acquistati e diventa necessario trovare delle alternative, preferibilmente in tempo reale. Ma anche la complessità di un’attività di questo tipo va oltre ciò che i computer tradizionali sono in grado di gestire.

Fisica quantistica per comunicazioni sicure

Fisica quantistica per comunicazioni sicure

Fisica quantistica per comunicazioni sicure - I nostri dati personali o professionali e la loro trasmissione, dalle foto delle vacanze alle proposte di sviluppo di nuovi prodotti, devono essere protetti. Oggi gli attacchi informatici e le loro conseguenze sono i rischi che le aziende considerano più gravi per la loro attività e che citano più spesso. Gli sviluppi nel calcolo quantistico stanno rivelando i limiti delle tecnologie di crittografia tradizionali. Le innovazioni nell’ambito delle comunicazioni quantistiche sono la chiave per il futuro, poiché permettono di rilevare in maniera affidabile gli accessi non autorizzati. Ciò consente di creare un canale altamente sicuro per i dati sensibili.

Rapidi. Maggiore rapidità. Calcolo quantistico.

Il nostro mondo è controllato da codici binari. I computer tradizionali elaborano i dati sotto forma di sequenze di unità e zeri, vero o falso, off o on. Ciò si applica a tutto, dalla semplice elaborazione testuale alla realtà virtuale nel metaverso. Il mondo nel quale viviamo, però, sta diventando sempre più complesso. La quantità di dati che dobbiamo gestire cresce rapidamente. Il volume annuo di dati generati digitalmente si è decuplicato tra il 2012 e il 2020 e ci si aspetta che entro il 2025 vada a triplicarsi. La quantità di dati prevista supera i 180 zettabyte, ossia 180 trilioni di gigabyte.

Per questa ragione, i computer tradizionali si trovano davanti due ostacoli insormontabili: il tempo e la complessità. Maggiore è il volume dei dati, maggiore è il tempo necessario per elaborarli in sequenza. Con l’aumentare della complessità del problema, si riduce la probabilità che il codice binario, basato su due soli stati, sia in grado di arrivare efficientemente alla soluzione. I computer quantistici posseggono il potenziale per superare entrambi gli ostacoli, grazie al contributo della fisica moderna.

Some like it cold

A qualcuno piace freddo

Il WMI (Walther Meißner Institute for Low Temperature Research) è un istituto di ricerca dell’Accademia bavarese delle scienze e delle discipline umanistiche. Svolge attività di ricerca di base e applicata nell’ambito della fisica delle basse e delle bassissime temperature. Il calcolo quantistico è una delle naturali aree di interesse e i ricercatori si affidano alle soluzioni misura e collaudo di Rohde & Schwarz e della società affiliata Zurich Instruments per controllare i propri sistemi.

Una cosa non esclude l’altra

Come per i bit tradizionali, i bit quantistici (qubit) formano le unità di memoria della meccanica quantistica. In aggiunta a zeri e unità, possono includere anche stati misti e sovrapposti. Questa simultaneità rappresenta un cambio di paradigma tecnologico fondamentale. Ora siamo in grado di utilizzare contemporaneamente più metodi di calcolo sequenziale tradizionale, ragione per la quale un computer quantistico consente di risparmiare così tanto tempo.

Ma l’aspetto più importante di tutti è il fatto che il nuovo approccio basato sulla meccanica quantistica ci permette di elaborare problemi nuovi e molto più complessi. Tuttavia, una decisione non esclude l’altra: l’elaborazione tradizionale non esclude il calcolo quantistico. Ciò che conta, al contrario, è saper integrare i sistemi esistenti e quelli quantistici a seconda dell’attività da svolgere.

Basta una rapida occhiata agli obiettivi della ricerca per comprendere la mole di lavoro che attende i team di ricerca applicata. Il ripiegamento delle proteine, ad esempio, è un problema importantissimo e di conseguenza un’area di interesse fondamentale. Trovare una soluzione significherebbe per noi poter prevedere la struttura tridimensionale di una proteina in base alla sua sequenza aminoacida primaria. Si tratta di una ricerca in cui sono state riposte grandi speranze, poiché probabilmente ci consentirebbe, per esempio, di sviluppare efficaci medicinali personalizzati.

Il rapporto tra fisica e logica

Nel mondo quantistico, una particella può trovarsi in due luoghi allo stesso tempo. Solo con l’osservazione si può isolarne la posizione, ad esempio misurandola. In altre parole, la posizione non è definitiva finché non la si osserva. Questa insolita caratteristica è anche la ragione dell’estrema instabilità. Anziché utilizzare singoli qubit fisici, che possono essere soggetti a errori frequenti, si impiegano più qubit raggruppati in un qubit logico. La difficoltà di questo metodo, tuttavia, sta nel fatto che per risolvere questioni pratiche, come il ripiegamento delle proteine, servirebbero sistemi quantistici con fino a un milione di qubit logici. Un qubit logico può contenere un massimo di 100 qubit fisici, ma la capacità massima di elaborazione è attualmente di soli 127 qubit fisici.

Ritratto di Sadik Hafizovic

“La nostra missione è contribuire a creare il computer quantistico”

Dott. Sadik Hafizovic, CEO e co-fondatore di Zurich Instruments, una società di Rohde & Schwarz

Zurich Instruments è il membro più giovane della famiglia Rohde & Schwarz. Il mercato della misura e collaudo per il calcolo quantistico, in particolare, ha un enorme potenziale per entrambe le aziende. L’utilizzo e il mantenimento di computer quantistici richiede una vasta gamma di soluzioni di misura e collaudo specifiche, poiché i segnali RF devono essere generati e misurati con una precisione estremamente elevata affinché sia possibile creare e registrare efficacemente gli stati quantistici. I sistemi di controllo per computer quantistici fanno parte dell'offerta della società.

"Laboratori di ricerca e partner industriali fanno affidamento sui nostri sistemi di misura e controllo per assicurare il perfetto funzionamento dei loro computer quantistici. Ciò fa di noi una società promotrice dell’innovazione, perché i ricercatori quantistici non possono perdere tempo per sviluppare autonomamente i loro strumenti."
Sadik Hafizovic, CEO e co-fondatore di Zurich Instruments, una società di Rohde & Schwarz

Sicurezza. Maggiore sicurezza. Comunicazioni quantistiche

I computer quantistici hanno il potenziale per spingere l’efficienza dell’elaborazione oltre i limiti. Tuttavia, ciò implica delle sfide, anche a livello di comunicazioni sicure. Il vaso di Pandora cominciò ad aprirsi nei primi anni ‘90, con la comparsa dei primi algoritmi in grado di violare gli algoritmi di crittografia tradizionali utilizzando computer quantistici ad alte prestazioni.

Da allora, la ricerca di metodi di crittografia alternativi è diventata la priorità. Possiamo identificare essenzialmente due approcci principali. Il primo consiste nella crittografia post-quantistica, la quale si fonda interamente su metodi di crittografia tradizionali con una differenza fondamentale: possono uscire illesi dagli attacchi dei computer quantistici. Gli algoritmi usati in questo approccio si basano sull’ipotesi teorica che non siano attualmente noti attacchi efficaci sferrati con computer quantistici o tradizionali.

Ritratto di Falk Herrmann

“Le reti di comunicazione sicure sono diventate infrastrutture critiche nelle società informatiche avanzate”

Dr. Falk Herrmann, CEO Rohde & Schwarz Cybersecurity

Il secondo approccio è correlato alla distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD). L’Ufficio federale tedesco per la sicurezza delle informazioni (BSI) e il National Institute of Standards and Technology (NIST) statunitense sono due dei principali promotori dell’innovazione in quest’area. In un mondo sempre più digitalizzato, per i clienti del settore privato e soprattutto per quelli del settore pubblico è fondamentale poter contare su soluzioni di sicurezza IT affidabili.

Tali soluzioni sono alla base del cambio di prospettiva nell’ambito della crittografia. I metodi tradizionali, nonché i più recenti metodi post-quantistici, si basano su ipotesi matematiche, ossia sull’idea che il calcolo per determinate operazioni non possa essere eseguito in modo abbastanza efficiente. La distribuzione delle chiavi quantistiche, al contrario, si basa su principi fisici.

Distribuzione sicura delle chiavi simmetriche

L’obiettivo è quello di distribuire in maniera sicura le chiavi simmetriche. Esso viene perseguito trasmettendo milioni di singoli fotoni (particelle di luce) attraverso un collegamento ottico, come un cavo in fibra ottica. Ogni fotone ha il proprio stato quantistico casuale. Qualsiasi tentativo di leggere o copiare i fotoni ne modifica lo stato. Il cambio di stato può essere rilevato in maniera affidabile grazie al fatto che i protocolli QKD sono progettati in modo che qualsiasi tentativo esterno di osservare i fotoni comporti un’interruzione della trasmissione e ogni interruzione viene rilevata.

I primi dispositivi QKD sono stati sviluppati principalmente da gruppi di lavoro di fisica e l’attività di commercializzazione è in corso da diversi anni. Rohde & Schwarz Cybersecurity mette a disposizione e sfrutta le sue estese competenze nelle soluzioni di sicurezza, nonché la sua esperienza nella realizzazione di dispositivi e sistemi sicuri, in numerosi progetti di ricerca.

"Stiamo utilizzando le nostre competenze per far uscire le comunicazioni quantistiche dai laboratori e portarle nelle applicazioni del mondo reale."
Falk Herrmann, AD di Rohde & Schwarz Cybersecurity

Innovazione basata sulla collaborazione

Oltre a sviluppare la tecnologia, è importante anche interagire con i clienti e partecipare a gruppi di ricerca e associazioni di settore. Per questo motivo, sin dai suoi inizi, Rohde & Schwarz fa parte di numerosi network. Eccone alcuni:

Munich Quantum Valley

Munich Quantum Valley (MQV) è un’iniziativa fondata dal Ministero Federale dell’Istruzione e della Ricerca tedesco che si occupa di promozione delle scienze e delle tecnologie quantistiche in Baviera. Il progetto mira a creare un computer dimostrativo che includa fino a 100 qubit. Zurich Instruments è responsabile di un nuovo schema di lettura ad alta fedeltà per i qubit 3D integrati, nonché dell’automazione delle routine di calibrazione per i processori quantistici. Tra i suoi partner vi sono Walter Meißner Institute, TU Munich, Fraunhofer EMFT, Infineon, Kiutra, Parity Quantum Computing Deutschland e IQM Deutschland.

https://www.munich-quantum-valley.de/

QSolid

Questo progetto mira a realizzare un computer quantistico dimostrativo a superconduttori con processori di più generazioni e diversi in termini di prestazioni, dimensioni, precisione e ambito applicativo. Zurich Instruments è stata incaricata dell’integrazione del sistema di controllo del computer quantistico nello stack quantistico e dell’ottimizzazione dei protocolli di trasmissione dati con un’elevata larghezza di banda di comunicazione. I partner del settore con le principali responsabilità includono Parity Quantum Computing Deutschland, HQS Quantum Simulations, Rosenberger Hochfrequenztechnik, IQM Deutschland, Supracon, Racyics, AdMOS, LPKF Laser & Electronics, Partec, Atotech e Atos Information Technology.

https://www.q-solid.de/

OpenSuperQ

Questo progetto fa parte di una delle iniziative di ricerca più grandi e ambiziose dell’Unione Europea: Quantum Flagship. OpenSuperQ mira a progettare, costruire e operare un sistema di elaborazione dati di tipo quantistico che includa fino a 100 qubit. Il sistema dovrebbe rimanere permanentemente a disposizione degli utenti esterni presso una sede centrale. Zurich Instruments è responsabile di tutta l’elettronica a temperatura ambiente e dei software di misurazione e controllo del sistema multi-qubit. I suoi partner chiave sono il centro di ricerca Jülich in Germania, l’università svizzera ETH Zurich e l’Università di tecnologia Chalmers in Svezia.

https://opensuperq.eu/

Libreria crittografica Botan per la sicurezza a lungo termine

Insieme ai suoi partner, il Fraunhofer Institute for Applied and Integrated Security (AISEC), TU Berlin e Nexenio, Rohde & Schwarz Cybersecurity sta aggiornando la libreria con algoritmi crittografici in grado di resistere agli attacchi di computer quantistici.

https://botan.randombit.net/

OpenQKD

L’Unione Europea ha istituito un consorzio dedicato al QKD costituito da una quarantina di partner di progetto di 13 Stati membri. Il suo obiettivo è quello di creare un’infrastruttura di reti di collaudo e comunicazione al fine di rendere praticabile la distribuzione delle chiavi quantistiche. L’infrastruttura europea di comunicazione quantistica (EuroQCI) sarà sviluppata ulteriormente in futuri progetti di follow-up.

https://openqkd.eu/

DemoQuanDT

La finalità di questo progetto del Ministero Federale dell’Istruzione e della Ricerca tedesco è quella di condurre ricerche, sviluppare e dimostrare un sistema QKD sicuro di gestione della rete all’interno di un’infrastruttura di telecomunicazione. Durante lo svolgimento del progetto, le città di Berlino e Bonn saranno collegate da una rete di comunicazione quantistica di prova, che fungerà da sistema dimostrativo. L’obiettivo è quello di creare la rete quantistica più lunga della Germania.

https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/demoquandt

Quarate

Il progetto Quarate è finanziato dal Ministero Federale dell’Istruzione e della Ricerca tedesco. Mira a utilizzare una risorsa quantistica per superare i limiti della tecnologia radar tradizionale, in particolare servendosi di microonde quantistiche e metodi di correlazione avanzati per migliorare l’acquisizione dei dati. I partner del progetto includono il Centro aerospaziale tedesco (DLR), TU Munich (TUM), e il Walther Meißner Institute (WMI).

https://www.quantentechnologien.de/forschung/foerderung/anwendungsbezogene-forschung-in-der-quantensensorik-metrologie-sowie-bildgebung/quarate.html