Siamo abituati a guardare oltreoceano, ai giganti della tecnologia, come ai maggiori o forse unici artefici del futuro digitale. Spesso ci dimentichiamo di osservare ciò che accade nel nostro perimetro nazionale dove, invece, troviamo eccellenze capaci di giocare un ruolo da protagoniste in questa evoluzione.
Proprio "giocando in casa", nel cuore del Trentino, incontriamo la Fondazione Bruno Kessler (FBK): un’istituzione di rilievo internazionale che accoglie le sfide tecnologiche più avanzate, plasmando l'innovazione. Con oltre mille collaboratori tra ricercatori e dottorandi, la Fondazione vanta 12 centri che spaziano dalle scienze religiose alla Digital Health, fino all'industria digitale.
È in questo contesto multidisciplinare che il centro Sensors and Devices tocca frontiere quasi fantascientifiche: qui si progettano e fabbricano microchip e sensori utilizzati persino sulla Stazione Spaziale Internazionale e al CERN.
Pubblicheremo due interviste divise in quattro parti. Nella prima, che segue, abbiamo il piacere e il privilegio di ospitare il Dott. Martino Bernard, ricercatore presso la Fondazione, per esplorare uno dei temi più caldi del momento: il computer quantistico.
L'approccio di Trento è alternativo e rivoluzionario: la fotonica integrata. I ricercatori della FBK utilizzano particelle di luce (fotoni) per trasportare l'informazione. Il vantaggio? Questi chip possono funzionare a temperatura ambiente, sono miniaturizzabili fino a poter entrare in un comune computer da scrivania e non soffrono del surriscaldamento tipico dei circuiti elettronici, poiché la luce non dissipa calore attraversando il chip.
Attraverso i progetti Quantum at Trento ed EPIQUS, la Fondazione sta lavorando per integrare in un unico microchip sia la parte di calcolo che i detector di singoli fotoni, aprendo la strada a rivoluzioni nella cybersecurity, nella simulazione di nuovi farmaci e nell'ottimizzazione di sistemi complessi.
Lasciamo ora la parola al Dott. Bernard per scoprire, nella prima parte, i concetti base della meccanica quantistica e, nella seconda, le sfide ingegneristiche affrontate nei laboratori di FBK.
Buona lettura.
Prima parte
Secco Marco: Benvenuti a tutti. Quest'oggi abbiamo il privilegio di ospitare un'eccellenza nella ricerca, il dottor Martino Bernard, ricercatore per la Fondazione Bruno Kessler di Trento. Buongiorno dottor Bernard e benvenuto. Ci può dire innanzitutto di che cosa si occupa la Fondazione Bruno Kessler e come si posiziona nel contesto della ricerca internazionale?
Dott. Bernard: Certo. La Fondazione Bruno Kessler è un centro di ricerca che coinvolge, tra ricercatori, studenti di dottorato e personale tecnico-amministrativo, circa un migliaio di persone. È divisa in 12 centri che trattano temi molto diversi tra loro: dalle scienze religiose al Digital Health, dalle energie sostenibili alla Digital Industry. Quindi è difficile fare una sintesi di cosa si occupa l'intera fondazione.
Io lavoro nel centro Sensor and Devices, dove abbiamo una FAB interna in cui fabbrichiamo dei microchip. Nei nostri microchip produciamo soprattutto detector ad altissima tecnologia; i dispositivi da noi fabbricati a Trento sono usati, per esempio, nella Stazione Spaziale e al CERN. La Fondazione, dunque, oltre a essere un punto di riferimento per la ricerca quantistica, è anche un importante produttore di circuiti e sensori in questo ambito.
Secco Marco: Prima di scendere un po' nei dettagli di questa vostra eccellenza, parliamo di computer quantistici. Ci può illustrare nel modo più semplice possibile che cosa sono e come funzionano, affinché i non addetti ai lavori possano comprendere di che cosa stiamo parlando?
Dott. Bernard: In parole povere, sono delle macchine dove l'informazione è codificata dentro un qualche stato quantistico invece che in uno stato classico. Che cosa vuol dire? Sostanzialmente, invece di avere un segnale in corrente dove ci sono tanti elettroni che passano — e se ne passa uno in più o uno in meno, noi vediamo comunque una corrente — noi andiamo a vedere lo stato quantistico del singolo elettrone, per esempio, e carichiamo l'informazione nel singolo elettrone.
L'elettrone non è l'unico caso, naturalmente, di stato quantistico utilizzabile; ne esistono di vari tipi in cui l'informazione può viaggiare in forme diverse. Può essere lo spin di un elettrone o di qualche sistema atomico, ma anche un singolo quanto del campo elettrico — quindi, per esempio, un fotone — sia, più in generale, nei sistemi a superconduttore. In questo caso il segnale, se volete, è più fragile perché è la singola particella che porta l'informazione, ma l'informazione che si può codificare nella singola particella è molto maggiore.
Secco Marco: Parliamo quindi di bit e di qubit. Il bit classico lo conosciamo ormai da molto tempo e sappiamo che può essere solamente 0 oppure 1. Il qubit, invece, ha una proprietà diversa: può assumere entrambi gli stati allo stesso tempo. Ci spiega, sempre nei termini più semplici possibili, il perché di questa caratteristica fondamentale?
Dott. Bernard: Allora, possiamo vederla così. Nella nostra epoca digitale, utilizziamo gli stati 0 e 1 per una questione di robustezza del segnale. Se io trasporto il mio segnale (che può essere 0 o 1) attraverso tanti canali di telecomunicazione, questo potrebbe sporcarsi un po': lo 0 potrebbe diventare 0,1, l'1 potrebbe diventare 0,9. Tuttavia, alla lettura successiva, riesco comunque a ripristinarli nel loro stato di 0 e 1 e poi li "rigenero", come si dice, in 0 e 1.
Nei qubit, invece, l'informazione è codificata in modo diverso. Io codifico lo stato della mia particella e la particella, in realtà, può essere in più stati contemporaneamente, in un certo senso. È una cosa un po' difficile da comprendere perché non ci siamo abituati: è, di fatto, la famosa analogia del gatto di Schrödinger che è sia vivo che morto all'interno della scatola.
Io posso avere il mio canale, che può essere una fibra ottica, in cui posso avere una sovrapposizione di un fotone che è presente o non è presente allo stesso tempo. Posso avere anche più canali in cui il fotone potrebbe essere di qua o di là, e io non so se si trova nel canale 1 o nel canale 2 finché non lo misuro. Questo è dovuto al principio di sovrapposizione, che mi permette di aumentare molto l'informazione che posso stoccare all'interno del mio stato quantistico.
Secco Marco: Ok, è riuscito a rendere l'idea anche se la tematica è molto complessa. Io nel mio lavoro mi occupo essenzialmente di cybersecurity e di guidare l'azienda nel percorso di migrazione verso i cosiddetti algoritmi di cifratura post-quantum. Lei ha appena spiegato come il computer tradizionale esegua calcoli in modo sequenziale, mentre quello quantistico può, in un certo senso, eseguirli tutti in parallelo. In che modo questa differenza incide sulla sicurezza dei nostri dati protetti dagli algoritmi attuali?
Dott. Bernard: Questa è una cosa molto interessante. La differenza più importante è che, con il modo quantistico di fare i conti, ci sono alcuni particolari algoritmi — non tutti — che risultano più efficienti. Il computer quantistico non è sempre la scelta migliore, ma per alcuni algoritmi lo è. Incidentalmente, uno di questi algoritmi molto efficienti su un computer quantistico è l'algoritmo di fattorizzazione di Shor, che serve a fattorizzare i numeri primi.
Perché questo dovrebbe preoccuparci? Perché molti sistemi di crittografia sono basati sul principio per cui fattorizzare [il prodotto di] due numeri primi è molto difficile e costoso in termini computazionali, mentre fare il prodotto di due numeri che so già essere primi è molto facile. Quindi io, che conosco i miei numeri primi e voglio usare la mia password, posso codificare l'informazione; qualcun altro che deve provare a leggerla non sa fattorizzare i miei numeri, che sono già stati moltiplicati, e quindi non sa decifrarla.
Chiaramente, se ho a disposizione un computer quantistico e posso fattorizzare questi numeri, posso fattorizzare la password di qualcun altro e leggere quello che ha criptato in precedenza.
Ci sono anche altri algoritmi quantistici che sono efficienti nel risolvere — o meglio, tecnicamente, nell'invertire — questi problemi matematici molto complessi (hard problems) usati anche per altri tipi di crittografia. Tuttavia, non tutti i tipi di crittografia classica sono vulnerabili alle tecnologie quantistiche.
Secco Marco: Ok. I giganti della tecnologia — ne prendiamo uno non a caso, Microsoft — hanno tracciato una sorta di roadmap per quanto riguarda il passaggio dalla cifratura tradizionale a quella post-quantum. Hanno ovviamente previsto, per retrocompatibilità, una coesistenza dei sistemi e hanno fissato una deadline nel 2029. Hanno poi definito una Quantum Risk Zone dal 2030 al 2035: in questo periodo verranno progressivamente dismessi gli algoritmi convenzionali in favore di quelli post-quantistici.
Questa è la visione di un gigante dell'IT, dettata ovviamente da ritmi commerciali34. Vorrei capire dal lato vostro, tecnologico, da chi lavora "a pane e qubit" tutto il giorno: quanto siamo realmente distanti da questa sorta di Armageddon della crittografia tradizionale?
Dott. Bernard: Quanto siamo lontani dall'Armageddon è difficile a dirsi. Io mi occupo di fisica e non faccio questo genere di previsioni. C'è da dire che molte chiavi di cifratura classiche usate attualmente — ci sono diversi paper a riguardo — erano già deboli rispetto alla decodifica classica. Di fatto, violazioni ce ne sono sempre state: la lotta della crittografia è vecchia, risale ai tempi della Seconda Guerra Mondiale.
Però, quello che penso è che se qualcuno avesse veramente le intenzioni e i mezzi per creare un computer quantistico sufficientemente grande già ora, da destinare alla violazione della crittografia classica su ampia scala, difficilmente andrebbe a sbandierarlo in giro. Quindi, difficilmente sapremmo in anticipo che lo stanno usando effettivamente. È anche difficile valutare l'effettiva maturità della piattaforma a livello globale e separarla da quello che si dice sulle testate giornalistiche.
Dall'altra parte, come menzionavo prima, esistono già alcune strategie crittografiche che sono quantum resistant. Cosa significa? Esistono degli algoritmi di crittografia per i quali, al momento, non conosciamo alcun controalgoritmo quantistico e quindi per ora sono sicuri. Utilizzando quegli algoritmi, né con un computer classico né con uno quantistico, ad oggi, sappiamo come violarli. È normalissimo, quindi, che al meglio di queste possibilità e conoscenze i principali attori si muovano per spostare gli standard di crittografia verso questi algoritmi intrinsecamente più resistenti.
Link
· Fondazione Bruno Kessler Trento [https://www.fbk.eu/it/]
· Magazine FBK [https://magazine.fbk.eu/it/]
· Dott. Martino Bernard [https://magazine.fbk.eu/it/spotlight/martino-bernard/]
· Per ascoltare l'intervista su Spotify: Next Level Enterprise - La rivoluzione quantistica - Harware quantistico.
Per maggiori informazioni:
Sito web: www.seccomarco.com