Raggiunto telefonicamente poco dopo l’annuncio del Nobel 2022 per la fisica, l’austriaco Anton Zeilinger, vincitore del premio insieme allo statunitense John F. Clauser e al francese Alain Aspect, ha sottolineato che il riconoscimento non sarebbe stato possibile senza i cento e più giovani ricercatori che negli anni della sua carriera hanno lavorato con lui.

Tra questi ce ne fu uno, Paolo Villoresi, che nel 2003 prese un treno da Padova, andò a Vienna a bussare al suo studio e gli presentò un progetto che nessuno aveva ancora pensato di realizzare: scambiare i fotoni tra la Terra e lo spazio sfruttandone le proprietà quantistiche per trasmettere informazioni.

Oggi Villoresi è professore di fisica sperimentale al dipartimento di ingegneria dell’informazione dell’università di Padova e direttore del neo-nato Padua Quantum Technologies Research Center, mentre negli ultimi 20 anni le comunicazioni quantistiche, incluse quelle che sfruttano i satelliti, sono diventate una frontiera in cui sperimentare nuovi sistemi di trasferimento delle informazioni e sviluppare nuovi protocolli di sicurezza basati proprio su quei principi di fisica quantistica, come l'entanglement, che hanno valso il massimo riconoscimento scientifico a Zeilinger, Clauser e Aspect.

Le tecnologie quantistiche sono un settore in rapida crescita, sia dal lato della ricerca sia da quello delle applicazioni e dell’interesse di mercato. Comprendono lo sviluppo del computer quantistico, le simulazioni, lo sviluppo di sensori altamente performanti e le comunicazioni quantistiche. Queste ultime possono trasferire informazioni tramite fibra ottica, tanto che l’Europa ambisce a creare una rete internet quantistica continentale, la European Quantum Communication Infrastructure (o European Quantum Backbone), ma possono traferire informazioni anche tra una stazione terrestre e un satellite. Proprio in questo ambito il gruppo di Villoresi ha pubblicato negli anni lavori pionieristici.

L’Europa finora ha puntato sì sulle comunicazioni quantistiche (anche con l’iniziativa della Quantum Flagship), ma non tanto non su quelle che viaggiano nello spazio. Ad oggi non esiste un satellite europeo dedicato specificamente a questo, mentre ne esiste uno, Micius, mandato in orbita nel 2016 dalla Cina. Il suo ideatore, Jian Wei Pan, oggi un punto di riferimento mondiale nel settore delle tecnologie quantistiche, lavorò a Vienna proprio con Zeilinger prima di spostarsi a Hefei, dove il governo cinese in pochi anni realizzò convintamente la proposta di costruire un satellite dedicato alle comunicazioni quantistiche.

“Oggi in Europa si sta finalmente muovendo qualcosa, con le fasi iniziali dell’iniziativa SAGA [Satellite Advanced Global Architecture] di ESA, l’Agenzia Spaziale Europea” riferisce Villoresi, “e anche sul piano nazionale, l’ASI, Agenzia Spaziale Italiana, sta promuovendo lo sviluppo di un dimostratore in orbita”. Ma secondo Villoresi potrebbe essere un’iniziativa tardiva, dato che 15 anni fa in Europa circolavano già conoscenze, competenze e progetti, rimasti però tali. I primi passi vennero mossi proprio nel 2003, tra Padova, Vienna e Matera.

L’esperimento a Matera

“In quegli anni avevo ottenuto dall’università di Padova un piccolo finanziamento che apriva una nuova strada: usare lo spazio come canale per le comunicazioni quantistiche” racconta Villoresi in riferimento al progetto per il quale chiese la collaborazione a Zeilinger.

Lo strumento con cui effettuare la sperimentazione era stato individuato nel telescopio del Centro di Geodesia Spaziale Giuseppe Colombo di Matera dell’ASI, che solitamente scambia segnali con un satellite per studiare le deformazioni della crosta terrestre e capire la dinamica tettonica della Terra.

Niente a che fare quindi con le comunicazioni quantistiche, “ma il direttore del centro di Matera Giuseppe Bianco ci ha aperto le porte e ci ha permesso di lavorare lì” spiega Villoresi. “Mancava però una tessera del puzzle, riguardo alla rivelazione: biosgnava taggare i fotoni, stabilire quando arrivavano. Zeilinger era già famoso, soprattutto per gli esperimenti sul teletrasporto quantistico”, grazie al quale è possibile trasferire informazione da un sistema di particelle quantistiche all’altro, anche su lunghe distanze.

“Presi il treno, andai a Vienna e gli espressi le finalità dell’esperimento. Gli dissi che avremmo potuto pagare le missioni degli esperimenti a Matera e a Padova. Lui accettò”.

Servivano specchi di qualità buona e rivelatori sensibili. “Sviluppammo un setup sperimentale che ci fecero installare forando il pilastro di base del telescopio, affinché fosse ben rigido: avevamo un braccio mobile che entrava nel camino ottico del telescopio. Insomma un intervento non poco invasivo” scherza Villoresi. “Così cominciammo a raccogliere dati e a Matera venne anche Anton”.

Come spesso accade, il lavoro del fisico sperimentale deve fare i conti con numerosi imprevisti che si presentano solo a lavori già avviati. “All’inizio le cose non andarono molto bene, avevamo un sistema ottico che non era progettato per il telescopio di Matera. Abbiamo dovuto scoprire i dettagli più minuti e sistemarli, dall’impostazione della ricerca delle orbite agli apparati di generazione dei fotoni. Riprogettammo il setup sperimentale con un budget che nel frattempo si faceva sempre più ristretto”, partendo dai 65.000 euro iniziali messi a disposizione dall’università di Padova.

Così come Zeilinger ha ringraziato i suoi giovani collaboratori, anche Villoresi rende merito a quelli che hanno lavorato con lui a Matera: Fabrizio Tamburini, Claudio Pernechele e Christian Bonato tra gli altri, guidati da Cesare Barbieri.

“Con il loro contributo dimostrammo che eravamo in grado di fare lo scambio di singoli fotoni tra Terra e spazio. Pubblicammo il lavoro nel 2008, non senza difficoltà, perché era qualcosa di completamente nuovo, un risultato sperimentale in un settore potenzialmente interessante, ma che non aveva mai avuto risultati prima. Alla fine pubblicammo su una rivista buona, New Journal of Physics, e l’articolo ebbe un notevole successo, vinse il premio della rivista stessa e ci fu una notevole eco di stampa, dall’Europa all’Australia”.

Un’occasione forse mancata per l’Europa

Con l’articolo in mano Villoresi propose all’ASI di puntare sulla costruzione di un satellite dedicato allo scambio di fotoni e alle comunicazioni quantistiche. La proposta fu approvata nella sua prima fase A di studio, ma poi finì nel dimenticatoio: “cambiò la governance dell’agenzia, cambiò la struttura dei programmi e quelli vecchi non andarono più avanti”.

Già nel 2003, insieme a Villoresi, colleghi inglesi e tedeschi, lo stesso Anton Zeilinger era stato il primo firmatario di una proposta avanzata all’ESA per montare sul modulo spaziale Columbus un apparato, “delle dimensioni di una lavatrice”, di telescopi per fotoni e comunicazioni quantistiche. Anche in quel caso l’iniziativa non andò in porto.

In quegli anni però un giovane ricercatore cinese, allievo di Anton Zeilinger a Vienna (dove svolse dottorato e post dottorato), capì che l’idea era valida e quando ottenne una posizione permanente all’università di scienze e tecnologie della Cina a Hefei convinse, all’inizio del decennio 2010, il governo cinese a puntare convintamente anche sulle comunicazioni quantistiche Terra-spazio. Quel giovane era Jian Wei Pan, oggi una delle più prominenti figure scientifiche nell’ambito delle tecnologie quantistiche, che ha ottenuto risultati eccezionali anche nello sviluppo del computer quantistico.

“In Cina sono stati molto pragmatici: hanno visto che il campo era promettente, hanno messo a lavorare su questi temi i maggiori esperti del settore, con finanziamenti che ancora non si sono mai visti in Europa, per lo meno in questo ambito”. Nel 2016 la Cina ha lanciato in orbita Micius, “un satellite da 600 kg, che monta un vero e proprio laboratorio di ottica quantistica, con sorgenti, rivelatori, e due telescopi con puntamenti”.

“Padova e la nuova sfida del computer quantistico”
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Qubit nello spazio

Dopo le proposte a ESA e ASI, il gruppo di Villoresi continuò ad avanzarne altre a diversi enti finanziatori europei. Tenere insieme però la componente teorica dei principi di meccanica quantistica e la parte applicativa e sperimentale non era semplice. La difficoltà, secondo Villoresi, era trovare la giusta collocazione disciplinare: “risultavamo o troppo astratti per un progetto di telecomunicazioni, o troppo ingegneristici per un progetto di fisica di base. La nostra proposta era qualcosa che non si sapeva ancora bene dove piazzare”.

Le ricerche di Villoresi ricevettero però il supporto dell’università di Padova, con l’equivalente di un finanziamento ERC (circa 1,5 milioni di euro). Il laboratorio e il gruppo si allargarono, anche con l’arrivo di Giuseppe Vallone, fisico teorico di formazione passato al lato sperimentale. Nel 2015 pubblicarono un lavoro che venne menzionato negli highlight dell’American Physical Society, come uno dei lavori di fisica più importanti pubblicati quell’anno.

Vallone, Villoresi e colleghi non solo avevano per primi dimostrato la scambio di qubit (basandosi sulla polarizzazione dei fotoni) tra una stazione di terra (il telescopio ASI di Matera) e cinque satelliti nello spazio, ma avevano anche mostrato che tra Terra e spazio era possibile realizzare la distribuzione quantistica di chiavi crittografiche (QKD – Quantum Key Distribution), un protocollo di sicurezza per il trasferimento dati che sfrutta i principi della fisica quantistica per rendere inviolabile la trasmissione dell’informazione. Questa e altre tipologie di comunicazioni quantistiche oggi godono di un ampio interesse di mercato.

“Noi dimostrammo che le comunicazioni quantistiche tra Terra e spazio si possono fare. Ideammo anche il generatore di qubit, iPognac, che può lavorare in modo stabile”.

Nonostante anche ASI fu parte di quel tassello fondamentale nel 2015, la prospettiva di realizzare satelliti europei dedicati alle comunicazioni quantistiche non si concretizzò. “Oggi in Europa si sta finalmente muovendo qualcosa, con le fasi iniziali dell’iniziativa SAGA [Satellite Advanced Global Architecture] di ESA” riferisce Villoresi, “e anche sul piano nazionale, l’ASI sta promuovendo lo sviluppo di un dimostratore in orbita”.

Nel 2021 dal gruppo QuantumFuture di Villoresi è nata anche un’azienda spin-off, ThinkQuantum, che sfrutta la tecnologia quantistica non solo per crittografare la trasmissione di dati, a un livello di sicurezza a prova di hacker, ma anche per autenticare la trasmissione di informazioni: “una sorta di Pec quantistica” dice Villoresi.

La rete dell’ateneo di Padova è stata anche usata, l’anno scorso, per proteggere e autenticare con la QKD una videochiamata e uno scambio di documenti tra il rettore di allora e il direttore del dipartimento di matematica .

Le comunicazioni quantistiche probabilmente si ritaglieranno presto un ruolo importante in una società, la nostra, sempre più digitalizzata e sempre più interessata a proteggere i dati che genera e trasmette. Se l’infrastruttura dominante sarà esclusivamente terrestre in fibra ottica (la European Quantum Communication Infrastructure è un’iniziativa già finanziata) o se a questa verranno affiancati satelliti tutti europei è presto per dirlo. Dipenderà da valutazioni strategiche, finanziarie e da una buona dose di diplomazia.

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