Teletrasporto quantistico: la nanofotonica spiana la strada alla realtà

Quello che un tempo era relegato al regno della fantascienza sta gradualmente varcando la soglia della realtà: gli scienziati hanno compiuto un passo significativo verso una trasmissione di informazioni più chiara ed efficiente che mai.

Grazie all’impiego di un materiale dalle dimensioni infinitesime, una piattaforma nanofotonica, i ricercatori hanno notevolmente potenziato la capacità di veicolare informazioni quantistiche, persino manipolando singole particelle di luce. Questa innovazione apre scenari futuri in cui il teletrasporto quantistico potrebbe integrarsi nelle reti di comunicazione globali, inaugurando un’era in cui i dati viaggiano nello spazio con modalità un tempo considerate irrealizzabili.

Il teletrasporto quantistico si avvicina: una svolta nella trasmissione di informazioni

Da anni, la comunità scientifica riconosce il potenziale dei processi ottici non lineari per rendere i sistemi di comunicazione quantistica più affidabili e resilienti a specifiche tipologie di errori. Tuttavia, i primi tentativi in questa direzione si sono scontrati con limitazioni tecniche, in quanto i sistemi sviluppati non erano in grado di operare ai livelli di luce estremamente bassi necessari per una vera comunicazione quantistica.

Un team di ricercatori dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign ha recentemente segnato una svolta cruciale in questo campo. Essi hanno realizzato un sistema non lineare basato su una piattaforma nanofotonica costituita da fosfuro di indio-gallio, ottenendo un incremento significativo dell’efficienza. L’approccio sviluppato si distingue per la sua capacità di operare con quantità di luce notevolmente ridotte, fino al livello dei singoli fotoni, le unità elementari della luce. Questo risultato rappresenta la prima concreta via verso una comunicazione quantistica pratica che sfrutta l’ottica non lineare.

“Il nostro sistema non lineare trasmette informazioni quantistiche con una fedeltà del 94%, superando ampiamente il limite teorico del 33% dei sistemi basati su componenti ottici lineari“, ha dichiarato Kejie Fang, professore di ingegneria elettrica e informatica dell’Illinois e responsabile del progetto, sottolineando l’importanza di questo risultato: “Questo dato da solo dimostra la notevole potenzialità della comunicazione quantistica con l’ottica non lineare. La sfida principale da affrontare era l’efficienza. Grazie all’utilizzo di una piattaforma nanofotonica, abbiamo osservato un aumento dell’efficienza tale da dimostrare la promettente natura di questa tecnologia“.

Un ponte per le reti del futuro

La trasmissione di informazioni quantistiche attraverso le nascenti reti quantistiche è resa possibile da un protocollo affascinante: il teletrasporto quantistico. Questo processo sfrutta un fenomeno peculiare del mondo quantistico, l’entanglement. In questo stato, due oggetti quantistici, tipicamente singoli fotoni, rimangono intrinsecamente connessi, influenzandosi reciprocamente anche a distanza, senza la necessità di un legame fisico apparente.

Il teletrasporto quantistico impiega questa interconnessione per trasferire lo stato quantistico di un’informazione da un mittente a un destinatario, senza che l’informazione stessa debba viaggiare attraverso un canale di comunicazione convenzionale. Un vantaggio cruciale di questa procedura risiede nella significativa riduzione dell’impatto del rumore esterno e delle imperfezioni intrinseche del canale di trasmissione.

Nonostante il suo potenziale rivoluzionario, le prestazioni del teletrasporto quantistico sono attualmente limitate da due fattori principali. In primo luogo, l’impiego di componenti ottici lineari standard introduce un’ambiguità intrinseca nel processo di trasmissione. In secondo luogo, la generazione di fotoni entangled, la risorsa fondamentale per il teletrasporto, è un processo imperfetto, soggetto a errori e alla produzione di rumore indesiderato. In particolare, è frequente che le sorgenti di entanglement emettano più di una singola coppia di fotoni simultaneamente, rendendo incerto se i due fotoni utilizzati nel protocollo di teletrasporto siano effettivamente entangled.

“Il rumore multifotonico è una problematica intrinseca a tutte le sorgenti di entanglement realistiche e rappresenta una seria sfida per lo sviluppo delle reti quantistiche“, ha spiegato Elizabeth Goldschmidt, professoressa di fisica dell’Illinois e coautrice dello studio: “Il grande fascino dell’ottica non lineare risiede nella sua intrinseca capacità di mitigare l’effetto di questo rumore, grazie ai principi fisici che la governano, aprendo la strada all’utilizzo di sorgenti di entanglement imperfette”.

I componenti ottici non lineari possiedono la proprietà di far interagire fotoni con frequenze diverse, generando nuovi fotoni a frequenze differenti. Nel contesto del teletrasporto quantistico, il processo non lineare specificamente sfruttato è la “generazione di frequenza di somma” (SFG, dall’inglese Sum-Frequency Generation). In questo processo, le frequenze di due fotoni interagenti si sommano, dando origine a un nuovo fotone con una frequenza risultante dalla somma delle due originali. Tuttavia, affinché questo processo avvenga in modo efficiente, i due fotoni iniziali devono possedere specifiche frequenze di partenza.

Filtrare il rumore per una trasmissione di alta fedeltà

Nell’applicazione della generazione di frequenza di somma (SFG) al teletrasporto quantistico, il protocollo viene intenzionalmente interrotto qualora vengano rilevati due fotoni aventi la medesima frequenza. Questa specifica condizione agisce come un filtro selettivo, eliminando la principale tipologia di rumore che affligge la maggior parte delle sorgenti di fotoni entangled.

Grazie a questa eliminazione del rumore, si ottiene una fedeltà di teletrasporto significativamente superiore a quanto sarebbe altrimenti possibile con approcci convenzionali. Tuttavia, questo vantaggio in termini di precisione si scontra con un limite operativo intrinseco: la conversione SFG è un evento che si verifica con una probabilità estremamente bassa, rendendo l’intero processo di teletrasporto altamente inefficiente.

“I ricercatori sono consapevoli di questa limitazione da tempo, ma la bassa probabilità di successo della SFG ne ha finora ostacolato una piena esplorazione“, ha spiegato il professor Fang: “In passato, il tasso di conversione massimo raggiunto si attestava intorno a 1 su 100 milioni. Il nostro risultato chiave è stato quello di ottenere un incremento di ben 10.000 volte nell’efficienza di conversione, portandola a 1 su 10.000 grazie all’impiego di una piattaforma nanofotonica“. Questo notevole aumento dell’efficienza rappresenta un passo avanti significativo verso la realizzazione pratica del teletrasporto quantistico.

I ricercatori hanno espresso un cauto ottimismo riguardo al potenziale futuro del teletrasporto quantistico basato su componenti ottici non lineari. Essi ritengono che, con ulteriori progressi tecnologici e ottimizzazioni del sistema, sarà possibile incrementare ulteriormente l’efficienza del processo. Inoltre, intravedono un impiego promettente di questa tecnologia anche in altri protocolli fondamentali per la comunicazione quantistica, incluso lo scambio di entanglement, elemento chiave per la costruzione di reti quantistiche distribuite.

Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters.