Verso una Internet quantistica alla velocità della luce

Un team di ricerca guidato dall’Università di Osaka ha dimostrato come le informazioni codificate nella polarizzazione circolare di un raggio laser possano essere tradotte nello stato di spin di un elettrone in un punto quantico, ciascuno dei quali è un bit quantico e un candidato quantistico per computer. Il risultato rappresenta un passo importante verso una “Internet quantistica“, in cui i computer futuri potranno inviare e ricevere informazioni quantistiche in modo rapido e sicuro.

I computer quantistici hanno il potenziale per superare notevolmente i sistemi attuali perché funzionano in un modo sostanzialmente diverso. Invece di elaborare uno e zeri, i computer quantistici elaborano informazioni quantistiche, memorizzate negli spin degli elettroni o trasmesse da fotoni laser, possono trovarsi in una sovrapposizione di più stati contemporaneamente. Inoltre, gli stati di due o più oggetti possono intrecciarsi, in modo che lo stato di uno non possa essere completamente descritto senza l’altro. La gestione degli stati intrecciati consente ai computer quantistici di valutare simultaneamente molte possibilità, oltre a trasmettere informazioni da un luogo all’altro immuni dalle intercettazioni.

Tuttavia, questi stati intrecciati possono essere molto fragili, durare solo microsecondi prima di perdere la coerenza. Per realizzare l’obiettivo di una rete quantistica, in cui segnali luminosi coerenti possono trasmettere informazioni quantistiche, questi segnali devono essere in grado di interagire con gli spin di elettroni all’interno di computer distanti.

I ricercatori guidati dall’università di Osaka hanno usato la luce laser per inviare informazioni quantistiche a un punto quantico alterando lo stato di spin di un singolo elettrone intrappolato lì. Mentre gli elettroni non ruotano nel solito senso, hanno un momento angolare, che può essere capovolto quando assorbe la luce laser polarizzata circolare.

“È importante sottolineare che questa azione ci ha permesso di leggere lo stato dell’elettrone dopo aver applicato la luce laser per confermare che era nello stato di rotazione corretto“, afferma il primo autore Takafumi Fujita. “Il nostro metodo di lettura utilizzava il principio di esclusione di Pauli, che proibisce a due elettroni di occupare esattamente lo stesso stato. Sul minuscolo punto quantico, c’è solo abbastanza spazio perché l’elettrone passi il cosiddetto blocco di spin di Pauli se ha lo spin corretto“.

Il trasferimento di informazioni quantistiche è già stato utilizzato per scopi crittografici. “Il trasferimento di stati di sovrapposizione o stati intrecciati consente una distribuzione quantistica delle chiavi crittografiche completamente sicura“, afferma l’autore senior Akira Oiwa. “Questo perché qualsiasi tentativo di intercettare il segnale distrugge automaticamente la sovrapposizione, rendendo impossibile l’ascolto“.

La rapida manipolazione ottica dei singoli spin è un metodo promettente per la produzione di una piattaforma informatica generale su scala nanometrica. Una possibilità interessante è che i futuri computer potrebbero essere in grado di sfruttare questo metodo per molte altre applicazioni, tra cui l’ottimizzazione e le simulazioni chimiche.