Un team di fisici polacco-britannici ha costruito e testato un compatto, convertitore efficiente in grado di modificare le proprietà quantistiche dei singoli fotoni. Il nuovo dispositivo dovrebbe facilitare la costruzione di computer quantistici complessi, e in futuro potrebbe diventare un elemento importante nelle reti quantistiche globali, i successori di Internet di oggi.

Internet quantistico e computer quantistici ibridi, costruito da sottosistemi che operano per mezzo di fenomeni fisici, ora sono più che solo roba dell'immaginazione. In un articolo pubblicato su Fotonica della natura , i fisici della Facoltà di Fisica (FUW) dell'Università di Varsavia e dell'Università di Oxford riferiscono dello sviluppo di un elemento chiave di tali sistemi:un dispositivo elettro-ottico che consente di modificare le proprietà dei singoli fotoni. A differenza delle costruzioni di laboratorio esistenti, questo nuovo dispositivo funziona con un'efficienza prima irraggiungibile ed è allo stesso tempo stabile, affidabile e compatto.

Costruire un dispositivo efficiente per modificare lo stato quantistico dei singoli fotoni è stato un compito eccezionalmente impegnativo, date le differenze fondamentali tra informatica classica e quantistica.

I sistemi informatici contemporanei si basano sull'elaborazione di gruppi di bit, ognuno dei quali si trova in uno stato specifico:0 o 1. Gruppi di tali bit vengono continuamente trasferiti tra diversi sottocomponenti all'interno di un singolo computer, e tra diversi computer della rete. Possiamo illustrare questo in senso figurato immaginando una situazione in cui i vassoi di monete vengono spostati da un posto all'altro, con ogni moneta che mostra testa o croce.

Le cose sono più complicate nell'informatica quantistica, che si basa sul fenomeno della sovrapposizione degli stati. Un bit quantico, noto come qubit, può essere contemporaneamente nello stato 1 e nello stato 0. Per estendere la metafora delle monete, questo è analogo a una situazione in cui ogni moneta gira sul suo bordo. L'elaborazione delle informazioni può essere descritta come elaborazione "quantistica" purché questa sovrapposizione di stati venga mantenuta durante tutte le operazioni, in altre parole, fintanto che nessuna delle monete viene ribaltata fuori dallo stato di rotazione mentre il vassoio viene spostato.

"Negli ultimi anni, i fisici hanno scoperto come generare impulsi luminosi con una specifica lunghezza d'onda o polarizzazione, costituito da un singolo quanto, o eccitazione, del campo elettromagnetico. E così oggi, sappiamo come generare esattamente qualsiasi tipo di "monete da spinning" quantistico desideriamo, " afferma il Dr. Michal Karpinski dell'Istituto di Fisica Sperimentale (FUW), uno degli autori della pubblicazione. "Ma ottenere una cosa ti lascia sempre desiderare di più. Se ora abbiamo quanti di luce individuali con proprietà specifiche, sarebbe utile modificare quelle proprietà. Il compito è quindi quello di prendere una moneta d'argento che gira e spostarla da un luogo all'altro, trasformandolo in modo rapido e preciso in una moneta d'oro, naturalmente senza ribaltarlo. Puoi facilmente vedere che il problema non è banale."

I metodi esistenti per modificare i singoli fotoni hanno utilizzato tecniche ottiche non lineari:in pratica, tentando di forzare un singolo fotone ad interagire con un fascio di pompa ottica molto forte. Se il fotone viene effettivamente modificato è una questione di pura casualità. Inoltre, la diffusione del fascio della pompa può contaminare il flusso di singoli fotoni. Nella costruzione del nuovo dispositivo, il gruppo dell'Università di Varsavia e dell'Università di Oxford ha deciso di utilizzare un fenomeno fisico diverso:l'effetto elettro-ottico che si verifica in alcuni cristalli. Fornisce un modo per alterare l'indice di rifrazione della luce nel cristallo variando l'intensità di una forza magnetica esterna che gli viene applicata (in altre parole, senza introdurre ulteriori fotoni).

"È abbastanza sorprendente che per modificare le proprietà quantistiche dei singoli fotoni, possiamo applicare con successo tecniche molto simili a quelle utilizzate nelle telecomunicazioni standard in fibra ottica, " dice il dottor Karpinski.

Utilizzando il nuovo dispositivo, i ricercatori hanno ottenuto un allungamento di sei volte della durata di un impulso di un singolo fotone senza interrompere la sovrapposizione quantistica, il che significa automaticamente un restringimento del suo spettro. Ciò che è particolarmente importante è che l'intera operazione è stata eseguita preservando un'efficienza di conversione molto elevata. I convertitori esistenti hanno funzionato solo in condizioni di laboratorio e sono stati in grado di modificare solo uno su diverse decine di fotoni. Il nuovo dispositivo funziona con un'efficienza superiore al 30 percento, fino a 200 volte meglio di alcune soluzioni esistenti, pur mantenendo un basso livello di rumorosità.

"In sostanza, elaboriamo ogni fotone che entra nel cristallo. L'efficienza è inferiore al 100% non a causa della fisica del fenomeno, ma a causa di perdite difficilmente evitabili di natura puramente tecnica, che appare, ad esempio, quando la luce entra o esce dalle fibre ottiche, " spiega il dottorando Michal Jachura (FUW).

Il nuovo convertitore non è solo efficiente e silenzioso, ma anche stabile e compatto. Il dispositivo può essere contenuto in una scatola di circa 10 cm (4 pollici), facile da installare in un sistema a fibra ottica che canalizza i singoli fotoni. Un dispositivo del genere potrebbe consentire di costruire cose come computer quantistici ibridi, i cui singoli sottocomponenti elaborerebbero le informazioni utilizzando diverse piattaforme fisiche e fenomeni quantistici. Attualmente, vengono fatti tentativi per costruire computer quantistici usando cose come ioni intrappolati, gli elettroni nel diamante, punti quantici, circuiti elettrici superconduttori, e nubi atomiche. Ogni sistema interagisce con una luce di proprietà diverse, che in pratica esclude la trasmissione ottica di informazioni quantistiche tra sistemi diversi. Il nuovo convertitore, d'altra parte, può trasformare in modo efficiente impulsi di luce a singolo fotone compatibili con un sistema in impulsi compatibili con un altro. Gli scienziati stanno quindi lavorando verso reti quantistiche, entrambi piccoli all'interno di un singolo computer quantistico (o suo sottocomponente), e quelli globali che forniscono un modo per inviare dati in modo completamente sicuro tra computer quantistici situati in diverse parti del mondo.