FOTONICA IN SILICIO PER SCAMBI DI DATI PIÙ SICURI: IL PROGETTO QUASIX, FINANZIATO DA ASI (AGENZIA SPAZIALE ITALIANA) REALIZZA UNA SORGENTE DI SINGOLI FOTONI PER COMUNICAZIONI QUANTISTICHE NELLO SPAZIO

Progettare, fabbricare e validare a livello sperimentale il prototipo di una sorgente di singoli fotoni per comunicazioni quantistiche, funzionante a temperatura ambiente, è l'obiettivo principale progetto "QUASIX: Single photon integrated source for QUAntum SIlicon Communications in Space", da raggiungere attraverso una tecnologia radicalmente innovativa e abilitante, mediante dispositivi di fotonica integrata in silicio (silicon photonics), con un controllo elettronico dell'emissione ottica. Questo ultimo elemento potrebbe rappresentare la soluzione ai problemi di sicurezza nelle comunicazioni.

Il progetto, finanziato da ASI (Agenzia Spaziale Italiana) con il bando ASI 2016 “Nuove idee per la componentistica spaziale del futuro” e coordinato dall’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Milano, vede la partecipazione della Scuola Superiore Sant'Anna sotto la supervisione di Enrico Forestieri, docente di Telecomunicazioni del Laboratorio InReTe dell’Istituto TeCIP (Tecnologie della Comunicazione, dell’Informazione e della Percezione).

I sistemi attuali di crittografia basano la loro sicurezza sulla complessità necessaria per poterli violare; ma i ricercatori hanno dimostrato che un computer quantistico riuscirebbe a compiere questa operazione con una certa facilità, compromettendo le comunicazioni che attualmente sono ritenute sicure. Al momento, gli elaboratori dispongono soltanto di potenze di calcolo di pochi quantum bit (qubit) e quindi le informazioni non sono ancora a rischio, ma è facile prevedere che, in breve tempo, ulteriori sviluppi tecnologici permetteranno la costruzione di computer quantistici con una potenza sufficiente a violare qualsiasi sistema crittografico odierno, in un lasso di tempo contenuto.

Questo nuovo progetto di ricerca combina competenze di scienza dei materiali, fisica dei dispositivi, tecniche di processing, tecnologie di fabbricazione di circuiti fotonici integrati, packaging professionale, caratterizzazione e validazione del prototipo. Nasce così una sinergia tra l'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (in collaborazione anche con l'Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi di Catania) che è in grado di realizzare nanostrutture avanzate, e il laboratorio InReTe che, grazie alle competenze del Centro di Alta Tecnologia della Scuola Sant’Anna INPHOTEC (Integrated Photonic Technologies Center), realizzerà la struttura di packaging per inserire la sorgente fotonica nel sistema di trasmissione.

Al progetto partecipano "QUASIX: Single photon integrated source for QUAntum SIlicon Communications in Space" partecipano il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, che vanta esperienza nella microscopia ottica e nella rilevazione di singoli fotoni, e l'Università di Padova, che da anni opera nell'ambito delle comunicazioni quantistiche verso lo spazio.

QUASIX prevede di affidare la sicurezza delle comunicazioni non alla difficoltà necessaria per decrittarle, ma piuttosto ad altre caratteristiche, basate su leggi fisiche impossibili da violare: è il caso delle leggi che regolano il mondo delle particelle elementari e in particolare dei fotoni. Un singolo fotone è caratterizzato da uno specifico stato quantistico ed è sufficiente la sua semplice osservazione affinché tale stato risulti inequivocabilmente alterato, rendendo possibile accorgersi facilmente se qualcuno ha cercato di intercettare gli scambi di informazioni. Adottando particolari protocolli, si può usare un singolo fotone per effettuare scambi di dati in modo sicuro, ma, a tale scopo, servono dispositivi che consentano la trasmissione e la ricezione di singoli fotoni. Le comunicazioni quantistiche per la distribuzione delle chiavi di cifratura (QKD - Quantum Key Distribution), hanno recentemente suscitato interesse e significativi investimenti da parte di vari paesi quali Stati Uniti, Cina, Giappone e Regno Unito. Per effettuare comunicazioni quantistiche su scala globale, la QKD può essere attuata con comunicazione ottica nello spazio libero via satellite.

Il progressivo affermarsi dei circuiti fotonici integrati in silicio offre soluzioni innovative, con ulteriori vantaggi quali la riduzione di ingombro, consumo, peso e, in prospettiva, dei costi. Ad oggi non esiste un'unica soluzione che sia compatibile ad un tempo con le fibre ottiche, la propagazione atmosferica e i circuiti integrati fotonici, funzionante a temperatura ambiente e che sia in prospettiva a basso costo.

La squadra composta per il progetto QUASIX possiede la gamma completa di know-how e di processi tecnologici per progettare, fabbricare e validare una tecnologia del tutto innovativa e realizzare una filiera nazionale, un importante passo verso l’indipendenza nel campo delle tecnologie critiche abilitanti nel sistema produttivo spaziale italiano ed europeo. La tecnologia proposta si presta a un impiego universale non solo per la comunicazione verso lo spazio o nello spazio, ma anche per le comunicazioni terrestri in fibra. Il suo potenziale è dovuto al fatto che il sistema di emettitore integrato con circuiti fotonici in silicio può abbattere i costi di produzione e ampliare la banda delle trasmissioni.

Foto in copertina di Gerd Altmann