Una rete in cui la trasmissione dei dati è perfettamente sicura contro l’hacking? Se i fisici potranno andare avanti, questo diventerà realtà un giorno, con l’aiuto del fenomeno della meccanica quantistica noto come entanglement.
Per le particelle entangled, la regola è: se si misura lo stato di una delle particelle, si conosce automaticamente lo stato dell’altra. Non fa differenza quanto siano lontane le particelle impigliate l’una dall’altra. Questo è uno stato di cose ideale per trasmettere informazioni su lunghe distanze in un modo che rende impossibile l’intercettazione.
Un team guidato dai fisici Prof. Harald Weinfurter della LMU e Prof. Christoph Becher della Saarland University hanno accoppiato due memorie quantistiche atomiche su una connessione in fibra ottica lunga 33 chilometri. Questa è la distanza più lunga su cui qualcuno abbia finora gestito l’entanglement tramite una fibra di telecomunicazione.
L’entanglement quantomeccanico è mediato dai fotoni emessi dalle due memorie quantistiche. Un passo decisivo è stato lo spostamento da parte dei ricercatori della lunghezza d’onda delle particelle di luce emesse a un valore utilizzato per le telecomunicazioni convenzionali. “In questo modo, siamo stati in grado di ridurre significativamente la perdita di fotoni e creare memorie quantistiche entangled anche su lunghe distanze di cavo in fibra ottica“, afferma Weinfurter.
In generale, le reti quantistiche sono costituite da nodi di singole memorie quantistiche, come atomi, ioni o difetti nei reticoli cristallini. Questi nodi sono in grado di ricevere, memorizzare e trasmettere stati quantistici. La mediazione tra i nodi può essere realizzata utilizzando particelle di luce che vengono scambiate via etere o in modo mirato tramite connessione in fibra ottica.
Per il loro esperimento, i ricercatori utilizzano un sistema composto da due atomi di rubidio otticamente intrappolati in due laboratori nel campus della LMU. Le due sedi sono collegate tramite un cavo in fibra ottica lungo 700 metri, che corre sotto Geschwister Scholl Square, di fronte all’edificio principale dell’università. Aggiungendo fibre extra sulle bobine, è possibile ottenere connessioni fino a 33 chilometri di lunghezza.
Un impulso laser eccita gli atomi, dopo di che ricadono spontaneamente nel loro stato fondamentale, emettendo ciascuno un fotone. A causa della conservazione del momento angolare, lo spin dell’atomo è intrecciato con la polarizzazione del fotone emesso. Queste particelle di luce possono quindi essere utilizzate per creare un accoppiamento quantomeccanico dei due atomi.
Per fare ciò, gli scienziati li hanno inviati attraverso il cavo in fibra ottica a una stazione ricevente, dove una misurazione congiunta dei fotoni indica un entanglement delle memorie quantistiche.
Tuttavia, la maggior parte delle memorie quantistiche emette luce con lunghezze d’onda nella gamma del visibile o del vicino infrarosso. “Nelle fibre ottiche, questi fotoni arrivano a pochi chilometri prima di perdersi“, spiega Christoph Becher. Per questo motivo, il fisico di Saarbrücken e il suo team hanno ottimizzato la lunghezza d’onda dei fotoni per il loro viaggio nel cavo.
Utilizzando due convertitori di frequenza quantistici, hanno aumentato la lunghezza d’onda originale da 780 nanometri a una lunghezza d’onda di 1.517 nanometri. “Questo è vicino alla cosiddetta lunghezza d’onda delle telecomunicazioni di circa 1.550 nanometri“, afferma Becher.
La banda delle telecomunicazioni è l’intervallo di frequenza in cui la trasmissione della luce in fibra ottica ha le perdite più basse. Il team di Becher ha realizzato la conversione con un’efficienza senza precedenti del 57%. Allo stesso tempo, sono riusciti a preservare in misura elevata la qualità delle informazioni immagazzinate nei fotoni, che è una condizione di accoppiamento quantistico.
“Il significato del nostro esperimento è che in realtà imbrigliamo due particelle stazionarie, vale a dire atomi che funzionano come memorie quantistiche“, afferma Tim van Leent, autore principale dell’articolo pubblicato su Nature. “Questo è molto più difficile dell’entangling dei fotoni, ma apre molte più possibilità di applicazione“.
I ricercatori ritengono che il sistema che hanno sviluppato potrebbe essere utilizzato per costruire reti quantistiche su larga scala e per l’implementazione di protocolli di comunicazione quantistica sicuri. “L’esperimento è un passo importante nel percorso verso l’Internet quantistico basato sull’infrastruttura in fibra ottica esistente“, afferma Harald Weinfurter.
