Ripetitori quantistici: una rassegna critica degli standard ITU-T SG 13

l’ITU-T (International Telecommunication Union – Telecommunication Standardization Sector) Study Group 13, si occupa di Telecomunicazioni Quantistiche del futuro verso la Quantum Internet. La QKD (Quantum Key Distribution), oggi alla soglia dell’industrializzazione, è invece oggetto dell’attenzione dell’ETSI (European Telecommunications Standards Institute) e funziona su collegamenti punto-punto in fibra ottica lunghi al massimo 100 km, oppure su collegamenti via radio satellitare a bassa orbita fino a 1,000 km.

l’ITU-T ha definito tre generazioni di ripetitori, intese in successione temporale. Le prime due generazioni utilizzano memorie quantistiche e purificazione dei qubit intrecciati (entangled) nella prima generazione, oppure correzione degli errori (QEC, Quantum Error Correction) nella seconda. Nessun quantum repeater di prima generazione è stato ad oggi dimostrato sul campo a causa della breve durata della vita operativa delle previste memorie quantistiche. I ripetitori di terza generazione non usano memorie quantistiche e prefigurano una rete globale totalmente sincrona (sincronizzata a livello di picosecondo) che effettua streaming di blocchi di fotoni con correzione degli errori durante la durata del blocco — un requisito che presenta sfide ingegneristiche straordinarie per affrontare i problemi di jitter (fluttuazioni del sincro-segnale, dette anche wander quando sono lente), viste le fluttuazioni nella propagazione in fibra causate da variazioni di temperatura e di lunghezza, e di sincronizzazione globale su collegamenti terrestri che possono essere lunghi fino a 25.000 km (connessione ipotetica di riferimento dell’ITU).

La Raccomandazione ITU-T SG 13 sui ripetitori quantistici

La Tabella 1 mostra le caratteristiche principali delle tre generazioni di ripetitori quantistici raccomandate dall’ITU-T SG 13.

La maggior parte delle discussioni pubbliche sulla diffusione dei ripetitori quantistici si concentra sul costo — proiezioni CAPEX, roadmap, tempistiche per la commercializzazione. Un’analisi più rigorosa, basata sugli standard dell’ingegneria delle telecomunicazioni classiche, suggerisce che il quadro reale è una piramide a tre livelli di problemi largamente indipendenti, di cui solo il primo livello è economico.

Problema 1: Economia

L’infrastruttura dei ripetitori e amplificatori classici è progettata per decenni di funzionamento telecontrollato agli estremi del collegamento (misure di tasso d’errore, alimentazione, ecc.) . Gli amplificatori in fibra terrestri operano per 20 anni; quelli sottomarini sono progettati per una vita utile di 25 anni proprio perché sono fisicamente irraggiungibili una volta installati. Per i satelliti LEO (attrezzati come ripetitori spaziali) è stimata una vita molto più breve (5–7 anni) che è considerata accettabile perché i costi di lancio sono scesi abbastanza da adottare un modello “sostituisci, non riparare”.

I ripetitori quantistici non rientrano in nessuno di questi schemi. I loro sottosistemi fondamentali — memorie quantistiche e apparati di Bell State Measurement (BSM) — non hanno una dimostrata esperienza di funzionamento continuo su scala pluriennale. La vita funzionale realistica prima di una

Tabella 1. Le tre generazioni di ripetitori quantistici dell’ITU-T Study Group 13

grande ricalibrazione o sostituzione di sottosistemi può essere stimata in 1–3 anni.

Combinando un CAPEX per nodo di circa 20–30 volte superiore a quello di un ripetitore EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) classico, e interventi di manutenzione che consumano il 15–30% del CAPEX ogni volta che si verificano, il costo annualizzato per nodo risulta 60–100 volte superiore rispetto all’infrastruttura classica — un divario dovuto tanto alla brevità e frequenza del ciclo di manutenzione quanto al prezzo iniziale.

Problema 2: Generazioni 1 e 2, i materiali

Ambedue le prime generazioni fanno uso di memorie quantistiche (oltre all’entanglement swapping) . C’è un collo di bottiglia fisico: nessuna piattaforma di memoria quantistica attuale — insiemi atomici, cristalli drogati con terre rare, centri NV (Nitrogen Vacancy) , atomi neutri o ioni intrappolati — soddisfa alcuni parametri richiesti da una realizzazione industriale:

• tempo di immagazzinamento – storage time (richiesto fino a centinaia di ms),
• tempo di vita in esercizio –  life time (richiesto in anni, minimo 1-3 anni, contro i 5-7 dei satelliti LEO e i 15-25 anni dei ripetitori terrestri e sottomarini)
• temperatura operativa praticabile.

Gli esperimenti di laboratorio pubblicati mostrano in genere soltanto il primo e il terzo, parametro. Le rare sperimentazioni di ripetitori sul campo durano poche settimane (ultimi esperimenti della Northwestern University a Chicago e di Cisco e Qunnect a New York City) e consistono in tre nodi (Alice, Charlie e Bob) connessi in fibra ottica interrata lunga circa 20-60 km, con ripetitori senza memoria e con purificazione limitata (solo entanglement swapping: Generazione “0”).

Per i ripetitori quantistici ci sono quindi gravi problemi di scienza dei materiali e fotonica, piuttosto che di ingegneria dei sistemi, che definiscono il limite pratico per i ripetitori di Generazione 1, basati sulla purificazione dei qubit intrecciati, e per quelli di Generazione 2, basati sulla correzione degli errori (QEC, Quantum Error Correction).

Problema 3: Generazione 3, sincronizzazione globale al picosecondo

I ripetitori di Generazione 2 e 3 sostituiscono la purificazione probabilistica con la correzione quantistica degli errori, che, secondo l’ITU-T, dovrebbe eliminare il collo di bottiglia delle memorie. La Generazione 3 infatti non usa memorie quantistiche, ma introduce due nuovi problemi, probabilmente più difficili, che appartengono a una disciplina ingegneristica diversa da quella dei materiali per le memorie.

• Sincronizzazione su scala al picosecondo per collegamenti terrestri di migliaia di chilometri: l’ITU-T specifica connessioni di riferimento terrestri di lunghezza massima 25.000 km. Le derive termiche e meccaniche nella fibra interrata producono wander che si accumula in centinaia di picosecondi su lunghe tratte terrestri. Gli standard di sincronizzazione per telecomunicazioni dispiegati [PTP (Precision Time Protocol), SyncE (Synchronous Ethernet)], persino sistemi avanzati come GPS (Global Positioning Sytem)e BeiDou (equivalente cinese di GPS) offrono uno o due ordini di grandezza inferiori alla stabilità su scala picosecondo richiesta per l’esecuzione della QEC sui treni di fotoni.
• Decodifica in tempo reale di treni di fotoni. I qubit fotonici non possono essere messi in pausa come i qubit di materia (superconduttori, ioni intrappolati) mentre vengono misurati e corretti. La correzione feed-forward deve avvenire entro la finestra di arrivo del fotone successivo nel treno — un budget temporale da pochi nanosecondi. Gli attuali decodificatori classici, anche i più veloci costruiti per la QEC dei qubit superconduttivi, operano con latenze microsecondo–millisecondo. Questo è un problema di throughput dell’elettronica classica senza scorciatoie quantistiche, e rimane largamente irrisolto perché richiede competenze — progettazione di circuiti integrati a ultra-bassa latenza, distribuzione temporale di precisione — che si trovano al di fuori della comunità della fotonica quantistica che attualmente guida il settore.

Critica alla roadmap definita dall’ITU-T

Come indicato, nel 2026 siamo alla Generazione “0”. I tre livelli generazionali delineati nel 2019 dall’ITU-T SG 13 sembrano proposti in parallelo, invece che con un’introduzione sequenziale sul mercato. Non condividono ovviamente un percorso di soluzione, e non condividono una comunità industriale tecnica.

Il progresso sulle memorie non dice nulla sui progressi nella sincronizzazione su scala picosecondo o nella correzione degli errori su treni di fotoni in streaming: tecnologie che potrebbero trovarsi oggi a TRL 2–3 (Technology Readiness Level, indice tra 1 a 9), indipendentemente da quanto maturi diventino le memorie o l’hardware BSM.

Il collo di bottiglia delle memorie quantistiche spinge in avanti di un paio di decine di anni l’avvento industriale della cosiddetta Quantum Internet e dimostra, tra costi eccessivi e immaturità dei materiali e dell’ingegneria di sistema, che l’Internet di oggi basata sul protocollo IP e rafforzata da algoritmi crittografici “quantum safe” (Post Quantum Cryptography) non potrà essere sostituita da un Internet quantistica. Piuttosto, si deve puntare all’obiettivo a lungo termine di “isole quantistiche”, Quantum Internet Islands, e cioè sottoreti quantistiche di estensione geografica limitata che potranno erogare servizi quantistici innovativi, quali il blind quantum computing, il distributed quantum computing,e le reti di sensori.