Il ruolo strategico della normativa per l’integrazione e lo sviluppo delle tecnologie quantistiche nel settore elettrotecnico ed elettronico.
Leopoldo Angrisani (Presidente CEI CT 327)
Germani Simone (Technical Officer CEI)
“Chi non rimane stupito quando incontra la meccanica quantistica, probabilmente non l’ha capita.”
(Niels Bohr)
Dalla teoria che ha rivoluzionato la fisica nel Novecento alle applicazioni che stanno trasformando la tecnologia del XXI secolo: il mondo quantistico è pronto a uscire dai laboratori per integrarsi nei sistemi industriali, nelle reti di comunicazione e nei dispositivi di misura. Ma come possiamo garantire che queste tecnologie, tanto potenti quanto complesse, siano sicure, interoperabili e affidabili? La risposta passa attraverso la normazione tecnica internazionale, che oggi si trova di fronte alla sfida di definire standard globali per un campo dove l’impossibile sembra diventare possibile.
Introduzione
Negli ultimi decenni, i progressi nella comprensione e nel controllo dei fenomeni quantistici hanno aperto la strada a una vera e propria rivoluzione tecnologica. Tecnologie come il calcolo quantistico, la crittografia quantistica e la sensoristica quantistica promettono infatti di ridefinire profondamente settori chiave quali l’informatica, la sicurezza delle comunicazioni, la metrologia e l’ingegneria dei materiali. Ciò che fino a pochi anni fa era considerato un tema esclusivamente teorico o confinato alla ricerca fondamentale sta oggi acquisendo una dimensione industriale concreta, con prototipi già in fase di sperimentazione avanzata e applicazioni pilota in corso di sviluppo presso aziende, centri di ricerca e infrastrutture strategiche.
In questo scenario di rapida evoluzione, emerge con forza la necessità di definire regole condivise, terminologie comuni e quadri normativi chiari per garantire l’interoperabilità, la sicurezza e l’affidabilità delle nuove tecnologie quantistiche. La normazione tecnica internazionale, coordinata in primis da IEC (International Electrotechnical Commission) e ISO (International Organization for Standardization), svolge un ruolo cruciale per accompagnare il trasferimento tecnologico dalle fasi di laboratorio alla produzione su scala industriale e al mercato globale. Si tratta di un compito complesso, reso ancora più impegnativo dall’alta specializzazione scientifica richiesta e dall’assenza, in molti casi, di modelli applicativi consolidati.
A livello internazionale, sono già attivi diversi gruppi di lavoro dedicati a vari ambiti delle tecnologie quantistiche: dalla definizione di terminologie e concetti di base, alla messa a punto di standard per la caratterizzazione delle performance dei dispositivi quantistici, fino alle norme sulla sicurezza delle comunicazioni quantistiche e sulla compatibilità con le infrastrutture classiche esistenti. Inoltre, si stanno avviando riflessioni sulla necessità di standard etici e di sostenibilità che accompagnino l’introduzione di queste tecnologie nelle catene di valore globali.
In questo articolo sarà analizzato lo stato dell’arte dell’attività di normazione internazionale nel settore delle tecnologie quantistiche, illustrando l’organizzazione dei principali comitati tecnici coinvolti, i documenti già in elaborazione e le prospettive future per l’industria elettrotecnica ed elettronica, che si troverà sempre più integrata con questi nuovi paradigmi tecnologici. Comprendere come la normazione si stia muovendo in un campo tanto innovativo e complesso è infatti fondamentale per i professionisti e le imprese che intendono prepararsi a cogliere le opportunità offerte dall’era quantistica in modo sicuro, responsabile e competitivo.
Ringraziamo i membri del Comitato per il contributo alla stesura di questo articolo.
Importanza della normazione
La normazione tecnica riveste un ruolo strategico nello sviluppo, nell’adozione e nella diffusione delle tecnologie quantistiche. In un settore caratterizzato da fenomeni fisici estremamente complessi, strumentazioni altamente specializzate e un linguaggio tecnico ancora in via di consolidamento, la definizione di standard internazionali consente innanzitutto di stabilire terminologie condivise e criteri di riferimento chiari. Ciò è fondamentale per favorire la comunicazione tra ricercatori, industrie, organismi regolatori e utilizzatori finali, riducendo ambiguità interpretative che potrebbero ostacolare la collaborazione e l’avanzamento tecnologico.
Inoltre, la normazione rappresenta uno strumento essenziale per garantire la qualità, la sicurezza e l’interoperabilità dei dispositivi e dei sistemi quantistici. Stabilire requisiti minimi di performance e metodologie di test affidabili permette di creare fiducia lungo l’intera catena del valore, dagli sviluppatori di componenti ai fornitori di servizi, fino agli utenti finali e ai decisori pubblici. Questo aspetto è particolarmente rilevante per le tecnologie quantistiche, che spesso si interfacciano con infrastrutture classiche già esistenti e richiedono compatibilità e affidabilità elevate per poter essere integrate in ambiti critici, come la cybersecurity, la difesa, l’aerospazio e le reti di comunicazione.
Un ulteriore beneficio offerto dalla normazione tecnica è il supporto al trasferimento tecnologico e all’innovazione responsabile. La presenza di norme e standard riconosciuti a livello internazionale facilita l’ingresso dei prodotti sul mercato globale, riduce le barriere commerciali e incoraggia gli investimenti industriali, creando un ambiente favorevole alla crescita delle imprese e all’adozione diffusa delle nuove tecnologie. In questo senso, la normazione non si limita a definire regole, ma diventa uno strumento abilitante per trasformare le potenzialità scientifiche in applicazioni concrete e utili per la società, contribuendo a realizzare sistemi più sicuri, performanti, sostenibili e in grado di rispondere alle sfide globali del nostro tempo.
Struttura dei comitati e lavori normativi
Il comitato internazionale di riferimento è il JTC 3 “Quantum Technologies”, comitato tecnico congiunto istituito nel gennaio 2024 da IEC e ISO per sviluppare standard internazionali nel campo delle tecnologie quantistiche. Il comitato ha il mandato di normare su diverse tecnologie quantistiche fondamentali, incluse quantum computing, quantum communications, quantum simulation, quantum metrology and sensors e quantum sources.
Per fare ciò il JTC 3 si è dotato di una struttura che comprende diversi tipi di gruppi di lavoro e project teams (Tabella 1).
Tabella 1 – Struttura e programma di lavoro del Comitato IEC/ISO JTC 3 Quantum technologies
Working Groups (WG)
WG 9: Terminology and quantities
WG 10: Quantum sensors
WG 11: Quantum computing supply chain
WG 12: Quantum computing benchmarking
WG 13: Quantum random number generators
Project Teams (PT)
PT 18157: PT ISO/IEC TR 18157
PT 63622: Quantum Photonics Vocabulary
PT JTC3/68/NP: Characterization and measurement of the performance of single-photon sources
PT JTC3/69/NP: Characterization and Measurement of the Frequencies of optical frequency standards
Advisory Groups (AG)
AG 1: Strategic planning
AG 8: Chair’s Advisory Group
Ad-Hoc Groups (AhG)
AhG 4: Quantum Communication
AhG 5: Quantum Computing and simulation
AhG 7: Quantum enabling technologies
Work Programme
Il work programme attuale comprende 7 progetti di standardizzazione in corso di sviluppo:
IEC/ISO 63607: Quantum technologies – Terminology and quantities – General quantities
IEC/ISO 63655: Quantum technologies – Terminology and quantities – General vocabulary
IEC/ISO 63622: Quantum Photonics Vocabulary
IEC/ISO TR 18157: Information technology — Introduction to quantum computing
PNW TS JTC3-119: Hanbury-Brown-Twiss interferometry for photonic quantum sources characterization
PNW JTC3-122: Performance evaluation for absolute quantum gravimeters based on free-falling cold atoms
PNW JTC3-129: Quantum computing – Hardware benchmarking
Il comitato mantiene varie liaisons con numerosi comitati tecnici IEC/ISO, tra le quali ad esempio con TC 86 (Fibre optics), TC 113 (Nanotechnology), JTC 1 (Information technology) e ISO TC 229 (Nanotechnologies), garantendo coordinamento intersettoriale nelle applicazioni delle tecnologie quantistiche.
Il comitato mirror nazionale del JTC 3 IEC è il comitato CEI CT 327.
A livello europeo, invece, la normazione sulle tecnologie quantistiche è demandata al Comitato Congiunto JTC 22 del CEN/CENELEC. Il JTC 22 produce deliverable di standardizzazione nel campo delle tecnologie quantistiche, includendo tecnologie abilitanti, quantum sub-systems e sistemi quantistici completi. Il campo copre le stesse aree del Quantum Technologies Flagship europeo: quantum computing, quantum communication, quantum sensing e metrology.
Il mirror nazionale è gestito da UNINFO tramite la commissione CT 535 che opera in sinergia con il CT 327 del CEI.
Attività normativa nei vari ambiti tecnologici
Come precedentemente delineato nell’ambito di applicazione delle tecnologie quantistiche, e in riferimento ai quadri normativi di livello internazionale, europeo e nazionale, si configurano differenti categorie tecnologiche, la cui natura e caratteristiche verranno sinteticamente esposte nel prosieguo.
Quantum Computing
Il quantum computing rappresenta una rivoluzione tecnologica che sfrutta i principi della meccanica quantistica per elaborare informazioni in modo radicalmente diverso dai computer tradizionali. Mentre i computer classici utilizzano bit binari (0 o 1), i computer quantistici impiegano qubit che, grazie al principio di sovrapposizione quantistica, possono esistere simultaneamente in stati multipli. L’hardware quantistico comprende le diverse tecnologie fisiche per realizzare qubit funzionali. Il gate-based quantum computing rappresenta l’approccio più universale alla computazione quantistica. Questi sistemi utilizzano operazioni logiche discrete chiamate “quantum gates” che manipolano singoli qubit attraverso una serie finita di operazioni. Le porte quantistiche sono l’equivalente quantistico delle porte logiche classiche (AND, OR, NOT), ma operano su stati di sovrapposizione quantistica.
Gli algoritmi quantistici sfruttano proprietà quantistiche come sovrapposizione ed entanglement per risolvere problemi specifici con vantaggi computazionali. Si dividono principalmente in tre categorie derivate: algoritmi di ottimizzazione (per problemi combinatoriali complessi), algoritmi di campionamento (per simulazioni quantistiche) e algoritmi di machine learning quantistico.
Il settore si articola in diverse aree: hardware quantistico, algoritmi specializzati e software per applicazioni specifiche. Il quantum computing rappresenta un asset strategico cruciale perché può risolvere problemi attualmente irrisolvibili o ridurre drasticamente i tempi di calcolo degli attuali supercalcolatori, promettendo vantaggi senza precedenti in settori come, ad esempio, l’intelligenza artificiale e la ricerca scientifica.
In ambito normativo, il JTC 3 a livello IEC/ISO comprende al suo interno due gruppi di lavoro internazionali che sono:
- WG 11 Quantum computing supply chain
- WG 12 Quantum computing benchmarking
e coordina con ISO/IEC JTC 1 il WG 14 (Quantum Computing) che ha già sviluppato il primo standard internazionale specifico: ISO/IEC-4879 “Information technology — Quantum computing — Terminology and vocabulary”.
A livello europeo, il JTC 22 ha costituito al suo interno il Working Group 3: “Quantum Computing and Simulation”.
Quantum Communication
Le comunicazioni quantistiche sono un campo emergente che sfrutta i principi della meccanica quantistica per consentire la trasmissione e l’elaborazione sicura di dati e informazioni. La comunicazione quantistica si basa sui bit quantistici, o qubit, che possono esistere simultaneamente in stati multipli grazie al principio di sovrapposizione. Inoltre, il fenomeno dell’entanglement quantistico consente ai qubit di essere intrinsecamente collegati, in modo tale che lo stato di uno influenzi istantaneamente lo stato di un altro, indipendentemente dalla distanza che li separa. Questi due principi abilitano funzionalità e/o capacità che i sistemi di comunicazione classici non possono fornire.
L’applicazione più prominente della comunicazione quantistica nell’immediato/nel breve è la Distribuzione di Chiavi Quantistiche (QKD). La QKD consente a due parti di condividere chiavi di crittografia con sicurezza teoricamente inviolabile. A differenza della crittografia classica, che si basa su algoritmi matematici complessi che possono essere eventualmente violati da sistemi di calcolo avanzati (specialmente computer quantistici), la QKD utilizza le leggi della fisica per fornire sicurezza incondizionata: qualsiasi tentativo di intercettare la chiave quantistica ne disturba lo stato, allertando le parti comunicanti della presenza di un intercettatore.
L’integrazione delle comunicazioni quantistiche pone diverse sfide e opportunità. Le reti di fibre ottiche esistenti possono supportare la QKD di tipo “prepara-e-misura” su distanze limitate, a causa dell’attenuazione e del rumore che limitano le prestazioni. Di conseguenza, si stanno sviluppando nodi sicuri o ripetitori quantistici per estendere la portata dei collegamenti quantistici. D’altra parte, la comunicazione ottica in spazio libero, inclusa la QKD basata su satellite, sta guadagnando attenzione per abilitare reti di comunicazione quantistica su scala globale.
In generale, il dispiegamento e le operazioni delle reti e servizi di comunicazione quantistica richiedono l’integrazione di apparecchiature di telecomunicazione classiche con apparecchiature quantistiche e lo sviluppo di framework di gestione e controllo. Sono inoltre necessari nuovi standard per l’architettura funzionale e di sistema. Gli operatori di telecomunicazioni dovranno anche gestire reti ibride, dove reti classiche e quantistiche coesistono, assicurando operazioni senza soluzione di continuità ed efficiente gestione e allocazione delle risorse. La certificazione dei nodi e sistemi di comunicazione quantistica è inoltre obbligatoria per promuovere il dispiegamento delle reti e servizi di comunicazione quantistica.
In conclusione, la comunicazione quantistica è un’innovazione tecnologica strategica che ridefinirà il panorama delle comunicazioni sicure e dell’elaborazione dati.
Quantum Metrology & Sensors
La metrologia quantistica e i sensori basati su fenomeni quantistici rappresentano uno dei settori più avanzati e applicativi delle tecnologie quantistiche. Le loro capacità di misurazione a precisione ultraelevata stanno abilitando nuove frontiere in ambiti quali la metrologia fondamentale, la geodesia, la navigazione, la diagnostica biomedica e il monitoraggio ambientale.
L’adozione di questi dispositivi in contesti industriali e strategici richiede l’implementazione di un quadro normativo rigoroso, condiviso e affidabile, che disciplini lo sviluppo, la caratterizzazione metrologica e l’impiego sicuro delle tecnologie quantistiche.
A livello internazionale, la normazione su Quantum Metrology & Sensors è coordinata principalmente dall’IEC con il contributo dell’ISO, tramite il comitato tecnico congiunto JTC3 – Quantum Technologies, istituito per definire standard tecnici specifici riguardanti terminologia, parametri di performance, metodologie di prova e requisiti generali applicabili ai dispositivi quantistici. Nell’ambito metrologico, sono in corso iniziative per l’armonizzazione terminologica dei principali concetti relativi ai sensori quantistici, quali orologi atomici ottici, magnetometri basati su NV centers in diamante, sorgenti a singolo fotone ed entangled, rivelatori a singolo fotone, al fine di garantire uniformità e chiarezza terminologica tra produttori, laboratori di taratura, enti regolatori e utenti finali.
Un’area di rilievo è rappresentata dalla definizione di metodologie standard per il test e la taratura dei sensori quantistici. Il JTC3 sta sviluppando specifiche tecniche volte a standardizzare le procedure di validazione delle prestazioni di dispositivi quali accelerometri quantistici a interferometria atomica e gravimetri quantistici. Tali procedure includono la valutazione di parametri critici quali sensibilità, stabilità temporale, accuratezza metrologica, linearità e incertezza di misura, necessari per la qualificazione dei dispositivi in processi industriali, laboratori accreditati e infrastrutture critiche come reti di sincronizzazione temporale e sistemi di navigazione indipendenti da GNSS.
Parallelamente, sono in fase di sviluppo norme preliminari relative alla compatibilità elettromagnetica e ambientale dei sensori quantistici, considerando le condizioni operative specifiche richieste — quali temperature criogeniche o schermature magnetiche — e la suscettibilità a interferenze esterne. La definizione di tali requisiti è essenziale per facilitare l’integrazione affidabile dei sensori quantistici con sistemi elettronici tradizionali, mitigando il rischio di malfunzionamenti o degrado delle prestazioni in ambienti industriali complessi.
Infine, l’attività normativa nel campo della metrologia quantistica è strettamente coordinata con organizzazioni metrologiche internazionali, quali il BIPM, per garantire la coerenza con le definizioni fondamentali delle unità SI e la tracciabilità delle misure, e con gli standard di riferimento globali. Da questo punto di vista, risulta strategico il contributo dell’associazione degli Enti Metrologici Nazionali (NMI) del continente europeo, EURAMET, e del suo European Metrology Network per le tecnologie quantistiche (EMN-Q) guidato dall’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM).
Questo coordinamento consente un trasferimento efficace e tracciabile dei progressi scientifici nel contesto delle pratiche metrologiche nazionali e industriali.
Quantum Random Number Generator
I Quantum Random Number Generators (QRNG) rappresentano una delle applicazioni più mature e promettenti delle tecnologie quantistiche, in grado di generare numeri casuali veramente imprevedibili grazie all’intrinseca indeterminazione dei fenomeni quantistici. La qualità della casualità prodotta dai QRNG è un elemento essenziale per la sicurezza crittografica, i protocolli di autenticazione, la simulazione scientifica e numerose applicazioni in ambito finanziario e industriale.
Considerata la crescente diffusione di questi dispositivi in contesti ad alta sicurezza, è cruciale definire standard internazionali che ne garantiscano l’affidabilità, la certificabilità e l’interoperabilità. L’attività normativa su QRNG è attualmente condotta in seno al comitato tecnico congiunto JTC3 – Quantum Technologies di IEC e ISO, con l’obiettivo di stabilire terminologie unificate, requisiti funzionali minimi, e parametri prestazionali verificabili.
Particolare attenzione è rivolta alla standardizzazione delle metodologie di valutazione della qualità della casualità quantistica. In questo ambito, sono in sviluppo specifiche tecniche per la caratterizzazione dei QRNG, che includono la verifica dell’origine quantistica dell’entropia, la robustezza rispetto a influenze ambientali, e l’efficienza dei meccanismi di post-processing, fondamentali per eliminare bias e correlazioni indesiderate.
Parallelamente, sono in fase di elaborazione criteri per la classificazione dei QRNG in base all’architettura (device-dependent, semi-device-independent e device-independent), nonché linee guida per la validazione e certificazione dei dispositivi da parte di laboratori indipendenti e autorità regolatorie. Tali attività mirano a favorire un’adozione sicura e trasparente dei QRNG nelle infrastrutture critiche e nei servizi digitali.
Infine, è in corso il dialogo con enti internazionali attivi nel campo della cybersecurity e della crittografia post-quantistica (come ITU-T e ETSI), per garantire coerenza tra gli standard sui QRNG e le linee guida globali in materia di sicurezza informatica, promuovendo l’interoperabilità e l’accettazione su scala globale di questa tecnologia strategica.
Conclusioni
In un contesto così innovativo e complesso, la normazione tecnica si conferma un pilastro indispensabile per garantire che le tecnologie quantistiche possano esprimere tutto il loro potenziale in modo sicuro, affidabile e condiviso a livello globale.
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