Dai numeri di carta di credito alle informazioni sul conto bancario, trasmettiamo ogni giorno informazioni digitali sensibili su Internet. Dagli anni '90, anche se, i ricercatori sanno che i computer quantistici minacciano di compromettere la sicurezza di queste transazioni.

Questo perché la fisica quantistica prevede che questi computer potrebbero eseguire alcuni calcoli molto più velocemente delle loro controparti convenzionali. Ciò consentirebbe a un computer quantistico di violare un sistema di sicurezza Internet comune chiamato crittografia a chiave pubblica.

Questo sistema consente a due computer di stabilire connessioni private nascoste da potenziali hacker. Nella crittografia a chiave pubblica, ogni dispositivo distribuisce copie della propria chiave pubblica, che è un pezzo di informazione digitale. Qualsiasi altro dispositivo può utilizzare quella chiave pubblica per codificare un messaggio e inviarlo al primo dispositivo. Il primo dispositivo è l'unico che ha un'altra informazione, la sua chiave privata, che usa per decifrare il messaggio. Due computer possono utilizzare questo metodo per creare un canale protetto e inviare informazioni avanti e indietro.

Un computer quantistico potrebbe calcolare rapidamente la chiave privata di un altro dispositivo e leggerne i messaggi, mettendo a rischio ogni futura comunicazione. Ma molti scienziati stanno studiando come la fisica quantistica può reagire e aiutare a creare linee di comunicazione più sicure.

Un metodo promettente è la distribuzione delle chiavi quantistiche, che consente a due parti di stabilire direttamente un canale sicuro con un'unica chiave segreta. Un modo per generare la chiave è utilizzare coppie di fotoni entangled, particelle di luce con una connessione quantistica condivisa. L'entanglement garantisce che nessun altro possa conoscere la chiave, e se qualcuno cerca di origliare, entrambe le parti saranno informate.

Tobias Huber, un JQI Experimental Postdoctoral Fellow appena arrivato, ha studiato come generare in modo affidabile i fotoni entangled necessari per questa comunicazione sicura. Huber si è laureato all'Università di Innsbruck in Austria, dove è stato supervisionato da Gregor Weihs. Hanno spesso collaborato con JQI Fellow Glenn Solomon, che ha trascorso un semestre a Innsbruck come Fulbright Scholar. Negli ultimi due anni, hanno studiato una particolare sorgente di fotoni entangled, chiamati punti quantici.

Un punto quantico è una piccola area in un semiconduttore, solo nanometri di larghezza, che è incorporato in un altro semiconduttore. Questa piccola regione si comporta come un atomo artificiale. Proprio come in un atomo, gli elettroni in un punto quantico occupano determinati livelli energetici discreti. Se il punto quantico assorbe un fotone del colore giusto, un elettrone può saltare a un livello energetico più alto. Quando lo fa, lascia uno slot aperto all'energia più bassa, che i fisici chiamano buco. Infine, l'elettrone decadrà alla sua energia originale, emettendo un fotone e riempiendo il buco. La combinazione intermedia dell'elettrone eccitato e della lacuna è chiamata eccitone, e due elettroni eccitati e due lacune sono chiamati bieccitoni. Un bieccitone decadrà a cascata, emettendo una coppia di fotoni.

Huber, Weihs, Solomon e diversi colleghi hanno sviluppato un modo per eccitare direttamente i bieccitoni in punti quantici utilizzando una sequenza di impulsi laser. Gli impulsi consentono di codificare informazioni nella coppia di fotoni emessi, creando una connessione tra loro nota come entanglement time-bin. È il miglior tipo di entanglement per la trasmissione di informazioni quantistiche attraverso le fibre ottiche perché non si degrada facilmente come altri tipi su lunghe distanze. Huber e i suoi colleghi sono i primi a produrre direttamente fotoni entangled time-bin da punti quantici.

Nel loro ultimo lavoro, pubblicato in Ottica Express , hanno studiato come la presenza di imperfezioni materiali che circondano i punti quantici influenzi questa generazione di entanglement. Le imperfezioni hanno i propri livelli di energia degli elettroni e possono rubare un elettrone da un punto o donare un elettrone per riempire un buco. In entrambi i casi, l'impurità impedisce ad un eccitone di decadere ed emettere un fotone, diminuendo il numero di fotoni che alla fine vengono rilasciati. Per combattere questa perdita, il team ha utilizzato un secondo laser per riempire i livelli di elettroni delle impurità e ha mostrato che questo aumentava il numero di fotoni rilasciati senza compromettere l'entanglement tra di loro.

Il team afferma che il nuovo lavoro è un passo nella giusta direzione per rendere i punti quantici una valida fonte di fotoni entangled. Conversione parametrica, un concorrente che usa i cristalli per dividere in due l'energia di un fotone, occasionalmente produce due coppie di fotoni entangled invece di uno. Ciò potrebbe consentire a un intercettatore di leggere un messaggio crittografato senza essere rilevato. L'assenza di questo inconveniente rende i punti quantici un candidato eccellente per la produzione di fotoni entangled per la distribuzione delle chiavi quantistiche.

L'avvento dell'informatica quantistica porta nuove sfide alla sicurezza, ma strumenti come la distribuzione delle chiavi quantistiche stanno affrontando queste sfide a testa alta. È possibile che, un giorno, potremmo avere non solo computer quantistici, ma linee di comunicazione a sicurezza quantistica, libero da occhi indiscreti.