Internet quantistica più veloce

Sviluppato, da un gruppo di ricerca tedesco, un nuovo modem quantistico per migliorare le prestazioni dell'internet quantistica

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La prima rivoluzione quantistica ha portato all’elettronica dei semiconduttori, ai laser e, quindi, a internet. L’imminente, seconda rivoluzione quantistica ci condurrà nel mondo delle comunicazioni supersicure, dei sensori quantistici estremamente precisi e dei computer quantistici in grado di affrontare calcoli che finora si ritenevano irrisolvibili.
Si tratta, comunque, di una rivoluzione ancora in fase embrionale. Uno degli aspetti centrali della ricerca riguarda l’interfaccia tra i dispositivi quantistici locali e i quanti di luce che permettono la trasmissione remota di informazioni quantistiche a elevata sensibilità. Presso il Max Planck Institute of Quantum Optics a Garching (Germania) opera il gruppo Quantum Networks, impegnato proprio nella ricerca di una sorta di modem quantistico. In un lavoro pubblicato in questi giorni su Physical Review W, il team ha riportato di aver compiuto un primo passo in una tecnologia di per sè semplice, ma nello stesso tempo altamente efficiente, che può essere integrata nelle reti a fibre ottiche attualmente esistenti.
La grave crisi sanitaria che stiamo vivendo ci sta facendo capire, ogni giorno, quanto sia diventata importante internet. Si può dire che il world wide web abbia completamente modificato la nostra cultura. Ci si chiede quindi se un internet quantistica possa rappresentare la prossima grande rivoluzione della fisica.
E’ ancora presto per rispondere a questa domanda, ma di certo c’è che la ricerca scientifica ha già compiuto enormi passi nel campo dell’internet quantistica. Si assisterà a una maggiore specializzazione delle applicazioni e, soprattutto, a un incremento della sicurezza delle comunicazioni a distanza. Nel futuro, l’internet quantistica potrà essere utilizzata per collegare computer quantistici ubicati in località differenti, con un conseguente aumento della loro potenza di calcolo.
Quindi l’internet quantistica si riferisce a una rete globale di tecnologie che, a loro volta, andranno a utilizzare la fisica quantistica in misura maggiore rispetto a prima. Tuttavia, tutto ciò richiede delle interfacce adeguate per le informazioni quantistiche estremamente sensibili. Siamo dinanzi a una grande sfida tecnica, e per questo motivo lo studio di queste interfacce è al centro della ricerca fondamentale in materia di internet quantistica. E’ necessario innanzitutto assicurare che i bit quantistici stazionari – i cosiddetti qubit – interagiscano efficientemente con qubit mobili per le comunicazioni a lunga distanza, senza distruggere l’informazione quantistica. I qubit stazionari saranno collocati in dispositivi localizzati, a guisa di una memoria o un processore di un computer quantistico. I qubit mobili sono solitamente quanti di luce, fotoni, che trasportano l’informazione quantistica attraverso l’aria, uno spazio vuoto o attraverso reti di fibre ottiche.
Connessione fragile tra bit quantistici
Il modem quantistico è pertanto progettato per stabilire una connessione efficiente tra qubit mobili e qubit stazionari. A questo scopo, il team ha sviluppato una nuova tecnologia e ne ha dimostrato le sue funzionalità di base. Il suo vantaggio cruciale è che questa tecnologia può essere integrata nella rete per le telecomunicazioni a fibra ottica, già esistente. Questo potrebbe essere il modo più veloce per disporre di una rete, a lunga distanza, di tecnologie quantistiche, ben funzionante.
Affinché questo sistema funzioni, i fotoni inviati o ricevuti dal modem, come portatori dell’informazione quantistica, devono essere perfettamente abbinati alla lunghezza d’onda nell’infrarosso della luce laser utilizzata per le telecomunicazioni. Questo significa che il modem deve disporre di qubit a riposo che riescano a reagire in maniera precisa, a questi fotoni, aventi la lunghezza d’onda dell’infrarosso, con un salto quantistico. Solo in questo modo, l’informazione quantistica, altamente sensibile, può essere trasmessa direttamente tra qubit a riposo e qubit mobili.
Il gruppo di ricercatori di Garching ha dimostrato che l’elemento che maggiormente si adatta a questo scopo è l’erbio, i cui elettroni riescono a eseguire un salto quantistico in perfetta linea con l’infrarosso. Sfortunatamente, gli atomi di erbio sono abbastanza restii a effettuare questo salto quantistico. Pertanto, è necessario che questi atomi vengano disposti in un ambiente specifico che li costringa a reagire molto velocemente. Per risolvere questo problema, gli atomi di erbio e i fotoni nell’infrarosso, vengono racchiusi, il più a lungo possibile, in uno spazio di adeguate dimensioni.
Una delle criticità del sistema è data dal fatto che i fotoni viaggiano alla velocità della luce, sono quindi molto volatili e tendono a sfuggire. Per questo motivo, i ricercatori hanno intrappolato gli atomi all’interno di un cristallo trasparente costituito da un composto di silicato di ittrio, cinque volte più sottile di un capello umano. A sua volta, questo capello viene disposto tra sue specchi quasi perfetti. Per eliminare l’oscillazione termica degli atomi, che andrebbe a distruggere l’informazione quantistica, l’intero sistema viene raffreddato a -271 °C.
I fotoni racchiusi tra gli specchi vengono riflessi avanti e indietro, attraverso il cristallo, come delle palline da ping-pong. In questo loro moto, i fotoni passano attraverso gli atomi di erbio così tante volte che gli atomi hanno abbastanza tempo per reagire con un salto quantistico. Questo sistema ha un’efficienza molto più elevata, e avviene con una velocità circa 6 volte superiore, rispetto a una configurazione simile, ma senza gli specchi. Dal momento che gli specchi, nonostante la loro perfezione, sono anche leggermente permeabili ai fotoni, il modem può connettersi alla rete.
Il passo successivo della ricerca consisterà nel migliorare l’esperimento in modo che singoli atomi di erbio possano essere indirizzati come dei qubit, attraverso la luce laser. Non si tratta solamente di un passo importante verso la creazione di modem quantistici utilizzabili. Gli atomi di erbio, concepiti come qubit in un cristallo, possono fungere anche da processori quantistici, cioè la parte principale di un computer quantistico. Ciò dovrebbe rendere il modem facilmente compatibile con tali terminali quantistici.
Prendendo spunto da questa soluzione, diventerebbero possibili anche ripetitori quantistici, costruiti in modo relativamente semplice. Ogni cento chilometri, i dispositivi dovrebbero compensare le crescenti perdite di informazione quantistica trasportata dai fotoni nella rete a fibra ottica. Questi ripetitori quantistici sono anche al centro della ricerca a livello internazionale.
Anche se il modem quantistico realizzato a Garching rientra nell’ambito della pura ricerca, ha comunque il potenziale per migliorare la realizzazione tecnica dell’internet quantistica.
Fonte: phys.org