Come trasferire in modo affidabile le informazioni quantistiche quando i canali di collegamento sono influenzati da un rumore dannoso? Scienziati dell'Università di Innsbruck e della TU Wien (Vienna) hanno presentato nuove soluzioni a questo problema.

Oggi comunichiamo tramite segnali radio e inviamo impulsi elettrici attraverso lunghi cavi. Questo potrebbe cambiare presto, tuttavia:gli scienziati hanno lavorato intensamente allo sviluppo di metodi per il trasferimento di informazioni quantistiche. Ciò consentirebbe il trasferimento dei dati a prova di tocco o, un giorno, anche il collegamento di computer quantistici.

Il trasferimento di informazioni quantistiche richiede un trasferimento affidabile di informazioni da un sistema quantistico all'altro, che è estremamente difficile da raggiungere. Indipendentemente, due gruppi di ricerca, uno presso l'Università di Innsbruck e l'altro presso la TU Wien (Vienna), hanno ora sviluppato un nuovo protocollo di comunicazione quantistica. Questo protocollo consente una comunicazione quantistica affidabile anche in presenza di rumore contaminante. Entrambi i gruppi di ricerca lavorano con lo stesso concetto di base:rendere il protocollo immune al rumore, aggiungono un ulteriore elemento, un cosiddetto oscillatore quantistico, ad entrambe le estremità del canale quantistico.

Trasferimento dati affidabile

Gli scienziati hanno condotto esperimenti di comunicazione quantistica per molto tempo. "I ricercatori hanno presentato un protocollo di teletrasporto quantistico già negli anni '90. Consente di trasferire lo stato di un sistema quantistico a un altro utilizzando fotoni ottici, "dice Benoit Vermersch, Postdoc nel gruppo di Peter Zoller all'Università di Innsbruck. Funziona anche a grandi distanze, ma bisogna accettare che molti fotoni vengono persi e solo una piccola frazione raggiunge il rivelatore.

"Il nostro obiettivo era trovare un modo per trasferire in modo affidabile uno stato quantistico da un luogo all'altro senza doverlo fare più volte per farlo funzionare, " spiega Peter Rabl dell'Atominstitut, TU Vienna.

Qubit superconduttori, in particolare, sono elementi promettenti per le future tecnologie quantistiche. Sono piccoli circuiti che possono assumere due stati diversi contemporaneamente. Contrariamente agli interruttori della luce convenzionali che possono essere accesi o spenti, le leggi della fisica quantistica consentono a un qubit di assumere qualsiasi combinazione di questi stati, che si chiama sovrapposizione quantistica.

Per trasferire questo stato quantistico da un qubit superconduttore a un altro sono necessari fotoni a microonde, che sono già utilizzati per il classico trasferimento del segnale. Il trasferimento affidabile di informazioni quantistiche tramite un regime a microonde è stato considerato impossibile poiché il rumore termico costante si sovrappone completamente al segnale quantistico più debole.

Nuovo protocollo di trasferimento

I due gruppi di ricerca hanno ora dimostrato che questi ostacoli non sono impossibili da superare come ipotizzato in precedenza. In collaborazione con i team di Harvard e Yale (USA) sono stati in grado di sviluppare un protocollo di trasferimento immune all'inevitabile rumore.

"Il nostro approccio è aggiungere un altro sistema quantistico - un oscillatore a microonde - come mediatore ad entrambe le estremità del protocollo per accoppiare i qubit invece di accoppiarli direttamente al canale a microonde o alla guida d'onda, " spiega Rabl.

"Non possiamo prevenire il rumore termico che si sviluppa nel canale quantistico, " dice Benoit Vermersch. "Quello che è importante è che questo rumore influenzi entrambi gli oscillatori su entrambe le estremità allo stesso modo. Perciò, siamo in grado di separare esattamente l'effetto dannoso del rumore dal segnale quantico più debole attraverso un preciso accoppiamento alla guida d'onda".

"Secondo i nostri calcoli, possiamo connettere qubit su diverse centinaia di metri con questo protocollo, ", afferma Peter Rabl. "Dovremmo comunque raffreddare i canali, ma a lungo termine sarà tecnologicamente fattibile collegare edifici o persino città in maniera quantistica fisica tramite canali a microonde".