Memorie quantistiche cristalline per comunicazioni quantistiche

In sostanza, l'entanglement quantistico si verifica quando particelle come fotoni o elettroni interagiscono fisicamente e poi si separano, rimanendo però strettamente correlate, anche se sono lontane migliaia di chilometri. Questo si oppone al nostro buonsenso e alla nostra esperienza del mondo fisico, ma una particella che si trova a Tokyo, se misurata da un osservatore, presenterebbe esattamente le stesse qualità della sua controparte entangled a Bruxelles.

Una coppia di sistemi quantistici che usano fotoni in uno stato correlato possono essere usati come canale di informazione quantistica per svolgere compiti di calcolo, comunicazione e crittografia impossibili per i sistemi tradizionali. E, fatto fondamentale per gli scopi di comunicazione, dato che le coppie di fotoni sono intrinsecamente collegate, esse forniscono sicurezza e fedeltà complete; poiché quando un fotone viene misurato esso mostra con assoluta certezza ciò che l'altro fotone mostrerebbe se misurato. Inoltre, se il segnale dovesse essere intercettato da una terza parte questo fatto verrebbe immediatamente rilevato, poiché si dovrebbe interrompere l'entanglement per poter intercettare il messaggio. Una volta interrotto l'entanglement, questo non può essere ristabilito. Queste proprietà aprono la strada a un intero mondo di nuove applicazioni.

"Le applicazioni delle tecnologie quantistiche sono ancora nella loro fase iniziale. Perciò è molto probabile che noi non siamo ancora consapevoli della maggior parte delle applicazioni future", sottolinea il professor Nicolas Gisin del Gruppo di fisica applicata all'Università di Ginevra, in Svizzera. "Queste applicazioni future della tecnologia quantistica probabilmente sembreranno una specie di magia alle persone di oggi".

L'informatica quantistica ci potrebbe permettere di risolvere un questio, ad esempio per decifrare un codice, osservando tutte le possibili combinazioni di input allo stesso tempo. Mentre gli attuali computer potrebbero impiegare anni per esaminare ogni possibile combinazione di input, nel computer quantistico esse vengono tutte testate contemporaneamente. E l'entanglement quantistico potrebbe permettere la comunicazione istantanea, o persino permetterci di teletrasportare oggetti da un luogo a un altro.

Il prof. Gisin e un team di ricercatori provenienti da quattro paesi europei (Francia, Germania, Svezia e Svizzera) hanno compiuto un importante passo in avanti per realizzare questa magia. Si prevede che il loro lavoro contribuirà allo sviluppo di applicazioni commerciali per la tecnologia delle comunicazioni quantistiche entro i prossimi 10 anni.

Lavorando al progetto QUREP ("Quantum repeaters for long distance fibre-based quantum communication), con il supporto di un finanziamento di 1,9 milioni di euro da parte della Commissione europea, il consorzio ha compiuto importanti passi in avanti verso un ripetitore quantistico in grado di spingere i segnali quantistici oltre distanze maggiori, portando la comunicazione quantistica su lunga distanza più vicina alla realtà.

La possibilità di una comunicazione quantistica su distanze brevi è già stata dimostrata, ma finora erano mancati i mezzi per separare con distanze maggiori in modo affidabile dei fotoni accoppiati. I ricercatori QUREP hanno compiuto importanti progressi verso la soluzione del problema sviluppando dei componenti chiave di un ripetitore quantistico. Il ripetitore quantistico è simile ai ripetitori usati oggi nelle comunicazioni standard e il suo ruolo è quello di sostenere un segnale in entrata e ripeterlo sull'altro lato, in modo che il segnale non perda la sua forza mentre si propaga.

"I ripetitori quantistici sono gli elementi costituenti di base delle comunicazioni quantistiche su lunghe distanze. Essi devono possedere la capacità di distribuire l'entanglement su decine di chilometri, memorie quantistiche e scambio di entanglement mediante misurazioni congiunte su due fotoni. Noi ci siamo concentrati sulle memorie quantistiche, che rappresentano la sfida più grande", ha spiegato il prof. Gisin. "I risultati sono molto incoraggianti, anche se è chiaro che rimane ancora molto da fare per portare questa tecnologia a un livello idoneo per la sua industrializzazione".

Il team ha sviluppato memorie quantistiche allo stato solido da cristalli drogati con ioni di terre rare, che assorbono un fotone sul lato di input del segnale ed emettono un nuovo fotone con identiche proprietà di entanglement sull'altro lato.

"La larghezza di banda delle memorie quantistiche rappresenta una grande sfida", sottolinea il prof. Gisin. "Le nostre memorie quantistiche possiedono una larghezza di banda relativamente grande se confrontata agli approcci alternativi. Ciononostante, esse sono limitate ad alcune centinaia di megahertz (MHz). Pertanto, lo sviluppo di fonti di fotoni accoppiati con larghezze di banda compatibili ed elevata stabilità era una delle nostre sfide. Una volta superata questa sfida, noi potremo dimostrare l'entanglement tra due delle nostre memorie quantistiche".

Nei test il team è riuscito a inviare un fotone segnale al cristallo per l'immagazzinamento, mentre l'altro fotone, conosciuto come il pigro, veniva tenuto indietro. Il fotone segnale poteva poi essere rilevato da un laboratorio a 50 metri di distanza dal Gruppo di fisica applicata, e quando veniva misurato esso rivelava con assoluta certezza il risultato della misurazione del fotone pigro.

"Utilizzando grandi insiemi di ioni si semplifica molto l'accoppiamento tra i fotoni e la memoria, sia per l'immagazzinamento che per il recupero. E noi lavoriamo a circa 3 kelvin, una temperatura raggiungibile piuttosto facilmente e compatibile con i migliori rivelatori di singolo fotone a superconduttori", dice il prof. Gisin. "Non ci sono molti progetti che sono in grado di mettere assieme tutte le tecnologie e le conoscenze necessarie a dimostrare i ripetitori quantistici, ma certamente QUREP è riuscito a farlo".

Tuttavia, affinché la tecnologia riesca a uscire dal laboratorio e arrivare alle applicazioni del mondo reale, si devono superare ancora diverse sfide chiave.

"Tra le sfide che ancora rimangono ci sono tempi più lunghi di memoria (fino a un secondo), rendimenti più elevati (fino all'80 %) e fonti di segnale ancora più efficienti. Anche allora, ci sarà ancora la grande sfida ingegneristica di far funzionare tutto assieme", ammette il prof. Gisin.

I membri del consorzio, che comprende importanti istituti di ricerca e aziende, intendono continuare le proprie ricerche sui ripetitori quantistici e in futuro potrebbero cercare dei prodotti commerciali derivati dal loro lavoro.

Per poter concretizzare delle applicazioni commerciali, il coordinatore di QUREP prevede la necessità di una dimostrazione di fattibilità di un ripetitore quantistico per la comunicazione diretta, oltre a un'analisi accurata di semplificazioni, industrializzazione e un abbassamento dei costi di sviluppo e produzione.

"Io ritengo che tutto questo sia possibile, ma richiede ancora del tempo per i fisici", dice. "Il divario tra ricerca accademica e industria è molto ampio. Io credo che abbiamo compiuto un grande passo in avanti per colmare questo divario, sebbene sia ancora necessario un ulteriore passo di proporzioni simili prima che un progetto di ingegneria possa sviluppare un prodotto. Nella prima fase, quella portata avanti durante QUREP, abbiamo identificato con precisione le sfide che devono essere ancora superate e anche strade promettenti per superarle".

QUREP ha ricevuto finanziamenti per la ricerca tramite il Settimo programma quadro (7° PQ) dell'Unione europea.

Collegamento al progetto su CORDIS:

- 7° PQ su CORDIS
- Scheda informativa del progetto QUREP su CORDIS

Collegamento al sito web del progetto:

- Sito web del progetto "Quantum repeaters for long distance fibre-based quantum communication"

Altri collegamenti:

- Sito web dell'Agenda digitale della Commissione europea