L’Italian Quantum Backbone (IQB) è un’infrastruttura che collega l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica con diversi centri di ricerca e laboratori del paese, attraverso oltre 1800 km di fibra ottica. Nata per distribuire segnali di Tempo e Frequenza ad alta accuratezza, è oggi un’infrastruttura più articolata che ospita sperimentazioni in campi diversi, dalle comunicazioni quantistiche al sensing distribuito.
La IQB è una infrastruttura abilitante per la ricerca in Italia, ed è collegata a iniziative simili nel panorama europeo.
La IQB è composta da una coppia di fibre, dedicate o in coesistenza con traffico dati, attraverso le quali è possibile attivare diversi tipi di trasmissione.
- Su gran parte dell’infrastruttura è attiva la distribuzione di segnali di tempo ad alta accuratezza mediante White Rabbit Precise Time Protocol. I laboratori connessi ricevono un segnale di tempo con accuratezza al livello del nanosecondo, e un segnale a radiofrequenza (10 MHz) ad alta stabilità. Questa tecnica permette un approccio scalabile, robusto e sicuro alla ricezione di segnali di tempo accurati, e rappresenta quindi una valida alternativa ai servizi basati su segnali satellitari.
- La peculiarità della IQB è anche la distribuzione di segnali laser ad altissima coerenza fra i laboratori connessi. Un laser a riga ultrastretta e lunghezza d’onda attorno a 1550 nm parte dall’INRIM di Torino, dove la sua frequenza viene misurata rispetto ai campioni nazionali, ed è distribuita ai laboratori collegati senza alcuna perdita di coerenza. Questo è possibile grazie a tecniche interferometriche avanzate che permettono di misurare in tempo reale le deformazioni della fibra e correggerle. Questo tipo di trasmissione è riservato alle applicazioni con i requisiti più stretti in termini di accuratezza e stabilità dei segnali trasferiti.
- Su gran parte dell’infrastruttura una delle due fibre è mantenuta libera dalla trasmissione di segnali e dedicata alle sperimentazioni quantistiche. Esse richiedono infatti la trasmissione di segnali a singolo fotone, molto deboli e fragili, che soffrirebbero della presenza di altri segnali classici sulla stessa fibra.
- E’ possibile accedere all’infrastruttura attraverso uno dei laboratori collegati o tramite punti di accesso, distribuiti regolarmente ogni 80/100 km, che sono anche i siti di amplificazione e rigenerazione dei segnali metrologici trasmessi.
Metrologia fondamentale
Dal 2021, l’INRIM è collegato agli altri principali istituti metrologici europei, in Francia, Regno Unito e Germania. Questo network ha permesso di effettuare i più estesi confronti di orologi ottici mai realizzati, che coinvolgono simultaneamente oltre 10 orologi ottici di specie diversa, distribuiti fra 7 laboratori europei. I prodotti di questi confronti sono importanti per la fisica atomica teorica e sperimentali e sono fondamentali nell’ambito della ridefinizione dell’unità di tempo del Sistema Internazionale. Si tratta inoltre di un prezioso strumento per la validazione e il supporto delle tecniche di confronto satellitari.
Utilizzando la IQB, INRIM ha inoltre dimostrato come la distribuzione di segnali metrologici in fibra possa essere abilitante per altre applicazioni in ambito di spettroscopia ad alta risoluzione e interferometria radioastronomica.
Comunicazione quantistica
Le attività della IQB in quest’ambito sono parte della European Quantum Communication Infrastructure (EuroQCI), l’iniziativa dell’Unione Europea volta a dimostrare la protezione quantistica delle comunicazioni in ambiti quali i servizi governativi e le infrastrutture critiche. INRIM coordina il progetto QUID (Quantum Italy Deployment), che realizza tecnologie di comunicazione quantistica, con attenzione alla loro integrazione con le comunicazioni classiche. QUID ha esteso la IQB realizzando nove reti quantistiche metropolitane e implementando diversi casi-studio in linea con i servizi previsti da EuroQCI.
La coesistenza sulla stessa infrastruttura di servizi metrologici e di comunicazione quantistica permette di sfruttarne appieno le possibili sinergie. INRIM ha dimostrato come la sincronizzazione precisa di nodi distanti fra loro e la distribuzione di segnali ottici ad altissima coerenza siano abilitanti per alcuni protocolli, come la twin-field Quantum Key Distribution in campo reale.
Sensing distribuito
Negli ultimi anni è diventato evidente come le reti in fibra ottica abbiano enormi potenzialità per il monitoraggio ambientale. L’utilizzo delle fibre come sensori permetterebbe una copertura più capillare della Terra rispetto ai sistemi di monitoraggio convenzionali ed è attraente per lo sviluppo di sistemi di allerta, la supervisione delle infrastrutture critiche e il monitoraggio sismico.
INRIM ha dimostrato come le tecniche di distribuzione dei segnali ottici ad alta coerenza possano essere efficacemente sfruttate per questo scopo. INRIM coordina il progetto SENSEI (Smart European Networks for Sensing the Environment and Internet quality), che si propone di sviluppare la tecnologia necessaria per utilizzare la fibra ottica come un sensore distribuito e migliorare la qualità della trasmissione dati, sempre sfruttando i benefici derivanti da un monitoraggio avanzato dell’infrastruttura. La IQB rappresenta un testbed privilegiato per la sperimentazione di tecniche innovative in ambienti rilevanti quali aree sottomarine, zone sismiche e aree densamente abitate.