La fisica quantistica può garantire che un messaggio non sia stato intercettato prima di raggiungere la sua destinazione. Grazie alle leggi della fisica quantistica, una particella di luce – un fotone – può trovarsi contemporaneamente in due stati distinti, paragonabile a una moneta lanciata in aria, che è praticamente sia testa che coda prima di raggiungere il suolo. Come quando la moneta viene afferrata, questa sovrapposizione di stati viene distrutta non appena viene letta. Questa caratteristica peculiare consente di rilevare un malvagio intercettatore durante l'invio di un messaggio. Però, questa tecnica è finora limitata a brevi distanze. Per estendere la portata di queste comunicazioni quantistiche, ricercatori dell'Università di Ginevra (UNIGE), Svizzera, hanno dimostrato un nuovo protocollo basato su un cristallo che può emettere luce quantistica e conservarla per lunghi tempi arbitrari. Questo lavoro, apparire in Lettere di revisione fisica , apre la strada a un futuro ripetitore quantistico.

La sovrapposizione quantistica è una delle caratteristiche affascinanti della fisica quantistica. "Per testare la sicurezza del collegamento di comunicazione, possiamo usare particelle di luce, fotoni, su cui codifichiamo bit quantistici (analoghi al bit utilizzato in informatica), " spiega Cyril Laplane, ricercatore nel Gruppo di Fisica Applicata dell'UNIGE. Continua:"Sfruttiamo quindi le proprietà della sovrapposizione quantistica, permettendo al fotone di trovarsi contemporaneamente in due stati, per testare la sicurezza di un collegamento di comunicazione". Infatti se il fotone viene intercettato e letto, si perde la sovrapposizione degli stati, rimane solo uno dei due stati. Quindi, il destinatario può sapere se il messaggio è stato intercettato.

La necessità di ripetitori quantistici

Poiché questo protocollo si basa sull'uso di singoli fotoni, c'è una possibilità irrilevante di perdere le particelle quando si propagano nei tradizionali collegamenti di comunicazione come la fibra ottica. Questo problema diventa sempre più critico con la distanza. Per comunicare a lunga distanza, ci vorrebbero ripetitori, che amplificano e ritrasmettono il segnale. È tuttavia impossibile utilizzare tale procedura nella comunicazione quantistica senza distruggere la sovrapposizione degli stati. I fisici devono costruire un ripetitore quantistico in grado di memorizzare il doppio carattere del fotone ma anche di produrre tale stato, una vera sfida.

Una soluzione a base di cristalli

Per costruire un ripetitore quantistico, gli scienziati hanno studiato molto i gas atomici, che di solito richiedono pesanti apparati sperimentali. "Stiamo usando un cristallo in grado di immagazzinare lo stato quantistico della luce. Possiede il vantaggio di essere relativamente semplice da usare con il potenziale per tempi di conservazione molto lunghi, " chiarisce Jean Etesse, un coautore del documento. Questi cristalli sono in grado di assorbire la luce e restituirla successivamente, senza leggere le informazioni codificate su di esso. Per di più, possono generare singoli fotoni e memorizzarli su richiesta. Un'altra risorsa importante è il loro potenziale di miniaturizzazione.

Poiché il cristallo è la fonte e la memoria dell'informazione quantistica, semplifica il protocollo per i ripetitori quantistici e pone le basi di un'internet quantistica. I fisici dell'UNIGE stanno già lavorando alla creazione di un collegamento elementare di comunicazione quantistica utilizzando un ripetitore.