Fisica della natura oggi, Lunedì, 23 gennaio 2017, ha pubblicato online la ricerca di un team guidato da fisici della School of Physics della Wits University. Nel loro articolo intitolato:Caratterizzazione dei canali quantistici con stati non separabili della luce classica, i ricercatori dimostrano il sorprendente risultato che a volte la natura non è in grado di distinguere tra particolari tipi di raggi laser e fotoni quantistici entangled.

In sostanza, la ricerca mostra che a volte la Natura non può dire la differenza tra il mondo quantistico e quello classico (o reale), e che esiste un'area grigia tra i due mondi chiamata entanglement classico.

Mondi classici e quantistici

Gli attuali sistemi di comunicazione sono molto veloci, ma non fondamentalmente sicuro. Per renderli sicuri i ricercatori usano le leggi della Natura per la codifica sfruttando le bizzarre proprietà del mondo quantistico, come nel caso dell'uso di Quantum Key Distribution (QKD) per comunicazioni sicure.

"Quantum" si riferisce al piccolo, e nel mondo della fotonica questo significa un fotone - una singola particella di luce. Le regole del mondo quantistico sono molto diverse da quelle del mondo classico, e gli esperimenti sono tradizionalmente molto più difficili a causa della difficoltà nel gestire solo pochi fotoni.

"Nel mondo classico la nostra intuizione è vera. Non ci sono sorprese e si possono fare esperimenti con molti fotoni (miliardi e miliardi di essi), come la luce laser, " spiega il professor Andrew Forbes, capogruppo della collaborazione e Professore Eminente presso la Scuola di Fisica dove dirige il Laboratorio Luce Strutturata Wits.

"Ma non così nel mondo quantistico, dove le cose non sono mai come sembrano. Qui le onde a volte sembrano particelle, particelle come onde, e le misurazioni cambiano le proprietà della stessa cosa che stai cercando di misurare."

È possibile la correzione degli errori quantistici in tempo reale

Ora i ricercatori hanno dimostrato che esiste un'area grigia in cui la Natura non può dire la differenza tra il classico e il quantistico. Questo apre la possibilità di eseguire prima esperimenti quantistici con un tipo di luce classica chiamata luce "classicamente entangled".

Per esempio, stabilire un collegamento di comunicazione quantistico sicuro a lunga distanza è molto impegnativo:"I collegamenti quantistici (come nelle fibre ottiche) che utilizzano modelli di luce languono a brevi distanze proprio perché non c'è modo di proteggere il collegamento dal rumore (interferenze da, ad esempio, nebbia o una curvatura di un cavo) senza rilevare i fotoni. Ancora, una volta rilevati, la loro utilità viene distrutta, "dice Forbes.

Questa situazione di cattura 22 è stata un ostacolo apparentemente insormontabile. Ora il team ha dimostrato che questo può essere superato utilizzando i classici campi di luce (molti fotoni), consentendo la correzione degli errori quantistici in tempo reale.

Preparando e inviando un cosiddetto raggio "classicamente entangled", il team ha potuto dimostrare che questo era identico all'invio di uno stato quantico. Ciò significa che il decadimento dell'entanglement quantistico osservato dovuto al rumore nel collegamento può essere invertito, aprendo la strada a importanti progressi nei collegamenti quantistici sicuri in fibra e nello spazio libero.

"Abbiamo mostrato per la prima volta che la luce classica può essere utilizzata per analizzare un collegamento quantistico, agendo come un equivalente diretto al comportamento dello stato quantistico, "dice Bienvenu Ndagano, autore principale e studente di dottorato presso la Wits University.

"Non simile, o imitando, ma equivalente. Per mostrare questo, abbiamo sfruttato un particolare tipo di raggio laser, chiamati raggi vettoriali, che hanno la proprietà di essere inseparabili e talvolta chiamati 'classicamente entangled'."

Ndagano spiega che la proprietà per eccellenza dell'entanglement quantistico è la non separabilità dello stato, il che significa che una parte del sistema non può essere separata dall'altra. "Ma la non-separabilità non è esclusiva del mondo quantistico:puoi trovarla nelle mappe meteorologiche in cui le posizioni sulla mappa e le temperature in quelle posizioni non possono essere separate".

Luce classicamente impigliata

Più intrigante, anche i fasci vettoriali classici hanno questa proprietà, che il team chiama luce "classicamente impigliata".

Dice Forbes, "Ci siamo chiesti:questo significa che la luce classica può essere utilizzata nei sistemi quantistici - un'area grigia tra i due mondi che chiamiamo entanglement classico?".

"La nozione di entanglement classico è fortemente contestata nella comunità dei fisici con alcuni che sostengono che è semplicemente un costrutto matematico, " dice Thomas Konrad (UKZN), coautore della carta. "Questo lavoro mostra che ha anche un significato fisico, e offriamo i primi dati side-by-side dell'equivalenza di entanglement classico e quantistico".

In precedenza, correggere un errore nello stato quantistico utilizzato per la comunicazione sicura significherebbe misurare il fotone inviato, il che a sua volta significherebbe perdere le informazioni che si stava cercando di inviare.

Questo lavoro consente di stabilire e testare collegamenti quantistici a lunga distanza con la luce classicamente entangled:poiché non c'è carenza di fotoni nella luce classica, tutte le misurazioni necessarie per correggere gli errori nello stato quantistico possono essere eseguite in tempo reale senza distruggere le informazioni quantistiche.

Così, la correzione degli errori in tempo reale è possibile in quanto puoi eseguire esperimenti nel mondo classico che ti diranno come correggere l'errore nel mondo quantistico.

Trasferimento dati veloce e sicuro tramite collegamento reale

Il team sta lavorando per impacchettare quante più informazioni in fotoni usando schemi di luce come mezzo per codificare le informazioni. Poiché esiste un numero illimitato di modelli, anche la quantità di informazioni che possono essere inviate in modo sicuro è almeno, in linea di principio, illimitato.

Mentre tutti i modelli sono equivalenti in termini di capacità di informazione, questo lavoro suggerisce che la scelta del modello gioca anche un ruolo importante nell'analisi e nella correzione degli errori sperimentati passando sul collegamento.

"Lavorando in questa zona grigia tra il classico e il quantistico possiamo mostrare un trasferimento di dati veloce e sicuro su collegamenti del mondo reale, "dice Forbes.