Con le aziende leader che ora investono in infrastrutture altamente costose e complesse per liberare la potenza delle tecnologie quantistiche, I ricercatori dell'INRS hanno ottenuto una svolta in un sistema fotonico leggero creato utilizzando dispositivi su chip e componenti di telecomunicazioni standard. Nel loro articolo pubblicato su Natura , il team dimostra che i fotoni possono diventare una risorsa quantistica accessibile e potente quando vengono generati sotto forma di quDit con entanglement di colore.

Il sistema utilizza un chip fotonico piccolo ed economico fabbricato attraverso processi simili a quelli utilizzati per l'elettronica integrata. Con un risonatore micro-anello su chip eccitato da un laser, i fotoni vengono emessi in coppie che condividono uno stato quantistico complesso. I fotoni sono costruiti in uno stato caratterizzato da un numero di componenti di frequenza sovrapposti:i fotoni hanno diversi colori contemporaneamente, e i colori di ciascun fotone in una coppia sono collegati (entangled), indipendentemente dalla loro distanza di separazione.

Con ogni frequenza, o colore, che rappresenta una dimensione, i fotoni sono generati su chip come stato quantistico ad alta dimensione (quDit). Finora, la scienza dell'informazione quantistica si è in gran parte concentrata sullo sfruttamento dei qubit, basato su sistemi bidimensionali in cui si sovrappongono due stati (ad esempio, 0 AND 1 contemporaneamente, in contrasto con i bit classici, che sono 0 OR 1 in qualsiasi momento). Lavorare nel dominio della frequenza consente la sovrapposizione di molti più stati (ad esempio, un fotone ad alta dimensione può essere rosso E giallo E verde E blu, sebbene i fotoni usati qui fossero infrarossi per la compatibilità con le telecomunicazioni), aumentare la quantità di informazioni in un singolo fotone.

Ad oggi, Professor Roberto Morandotti, che guida il gruppo di ricerca dell'INRS, conferma la realizzazione di un sistema quantistico con almeno cento dimensioni utilizzando questo approccio, e la tecnologia sviluppata è facilmente estendibile per creare sistemi a due quDit con più di 9, 000 dimensioni (corrispondenti a 12 qubit e oltre, paragonabile allo stato dell'arte in piattaforme significativamente più costose/complesse).

L'uso del dominio della frequenza per tali stati quantistici consente la loro facile trasmissione e manipolazione nei sistemi in fibra ottica. "Unendo i campi dell'ottica quantistica e dell'elaborazione ottica ultraveloce, abbiamo dimostrato che la manipolazione ad alta dimensionalità di questi stati è effettivamente possibile utilizzando elementi di telecomunicazioni standard come modulatori e filtri di frequenza, " sottolinea l'esperto di sistemi di telecomunicazioni il professor José Azaña, correlatore della ricerca condotta.

Fino ad ora, i progressi nelle tecnologie consolidate per il settore delle telecomunicazioni sono stati mirati alla manipolazione dei segnali classici. Questa ricerca è un punto di svolta:i progressi possono essere immediatamente trasferiti alla scienza quantistica e consentiranno direttamente indagini fondamentali sulle caratteristiche dello stato quantistico ad alta dimensionalità, applicazioni nelle comunicazioni quantistiche basate su fibra a grande alfabeto, e il futuro sviluppo del dominio della frequenza, porte logiche quantistiche ad alta dimensione e altre applicazioni.

Gli autori principali Michael Kues e Christian Reimer notano che un punto culminante della piattaforma dimostrata è la sua accessibilità:è facile costruire e sfruttare i componenti utilizzati nei sistemi di telecomunicazione standard che sono disponibili in commercio ovunque. Così, a breve termine, ricercatori di tutto il mondo saranno in grado di incorporare e far progredire questa tecnologia, consentendo un salto nello sviluppo di applicazioni quantistiche pratiche.