(Phys.org)—Per la prima volta, i fisici hanno dimostrato che i fotoni iperentangled possono essere trasmessi nello spazio libero, che hanno mostrato inviando molte migliaia di questi fotoni tra i tetti di due edifici a Vienna. Iperentanglement significa che i fotoni sono simultaneamente impigliati in almeno due diverse proprietà:in questo esperimento, i ricercatori hanno combinato due proprietà di entanglement bidimensionali per ottenere un hyperentanglement quadridimensionale.

Mostrando che la trasmissione dell'iperentanglement è fattibile nel mondo reale e non solo in laboratorio, i fisici si aspettano che la dimostrazione possa un giorno essere ampliata per stabilire un Internet quantistico altamente sicuro che utilizzi i satelliti per trasmettere informazioni quantistiche in modo rapido e sicuro in tutto il mondo.

I fisici, guidato da Rupert Ursin presso l'Istituto per l'ottica quantistica e l'informazione quantistica (IQOQI) presso l'Accademia austriaca delle scienze a Vienna, hanno pubblicato un articolo sulla distribuzione dell'iperentanglement tramite collegamenti atmosferici nello spazio libero in un recente numero di Comunicazioni sulla natura .

Gli stati iperentangled hanno diversi vantaggi rispetto agli stati con una sola proprietà entangled, tra cui velocità di trasmissione dati più elevate e livelli di sicurezza migliorati nella comunicazione quantistica. Finora, però, esperimenti che coinvolgono l'iperentanglement sono stati dimostrati solo in ambienti di laboratorio protetti su brevi distanze. La capacità di trasmettere stati iperentangled tramite collegamenti ottici nello spazio libero consentirà la trasmissione su distanze maggiori di quelle possibili utilizzando fibre ottiche a terra.

Come spiegano i fisici, il tipo più semplice di entanglement tra fotoni è l'entanglement di polarizzazione. Quando misurato, un fotone mostrerà uno dei due stati di polarizzazione (verticale o orizzontale), producendo entanglement bidimensionale nel grado di libertà di polarizzazione. Nella codifica di polarizzazione bidimensionale, ogni fotone è limitato a codificare al massimo un qubit.

Ma ci sono altri modi per intrappolare i fotoni, e questi metodi possono essere combinati con l'entanglement di polarizzazione per ottenere fotoni iperentangled, che hanno il potenziale per memorizzare più qubit.

Nel nuovo lavoro, i fisici combinarono l'entanglement di polarizzazione con un secondo tipo di entanglement chiamato entanglement energia-tempo, che coinvolge il tempo di emissione della coppia di fotoni e può assumere molti possibili valori, risultando in molte dimensioni più elevate. In questo esperimento, per motivi tecnici, i fisici usavano solo due tempi di emissione particolari, "presto" e "tardi, " corrispondente a due gradi di libertà. Quando combinati, i due tipi di entanglement hanno permesso ai ricercatori di creare stati iperentangled quadridimensionali.

"Abbiamo codificato qubit in due proprietà del fotone contemporaneamente, " ha detto il coautore Fabian Steinlechner dell'Accademia austriaca delle scienze Phys.org . "Abbiamo codificato un qubit nel grado di libertà di polarizzazione ben studiato, e un altro nel grado di libertà tempo-energia, che non aveva ancora dimostrato di resistere alla trasmissione attraverso un turbolento collegamento nello spazio libero. In questo modo abbiamo raddoppiato la quantità di entanglement per fotone rispetto ai precedenti esperimenti sui collegamenti ottici del mondo reale. Aumentare la dimensionalità dell'entanglement e trasmettere l'entanglement ad alta dimensione in condizioni di collegamento atmosferico del mondo reale è un passo importante verso sistemi di comunicazione quantistica più efficienti e pratici".

La sorgente di fotoni iperentangled, che genera coppie di fotoni iperentangled, si trovava in un laboratorio presso l'IQOQI di Vienna. Per dimostrare la distribuzione dell'iperentanglement, i ricercatori hanno immagazzinato un fotone da ciascuna coppia iperentangled in laboratorio e hanno inviato l'altro fotone in ciascuna coppia attraverso una fibra ottica a un telescopio trasmettitore sul tetto dell'edificio. Il telescopio ha quindi trasmesso quel fotone nello spazio libero a un ricevitore sul tetto di un altro edificio situato a 1,2 km di distanza, che ha raccolto i fotoni e verificato il loro iperentanglement.

Sebbene la turbolenza atmosferica abbia causato la variazione dell'efficienza di trasmissione dei fotoni iperentangled, e circa la metà dei fotoni distribuiti sono stati persi a causa dell'assorbimento da parte dei componenti ottici, i ricercatori hanno ancora rilevato con successo circa 20, 000 coppie di fotoni al secondo. I risultati dimostrano, per la prima volta, la fattibilità dell'uso dell'iperentanglement energia-tempo/polarizzazione in condizioni reali. I ricercatori non vedono l'ora di sviluppare applicazioni che sfruttino i vantaggi dell'iperentanglement.

"Iperintreccio, entanglement simultaneo in più gradi di libertà, può essere utilizzato per codificare diversi qubit entangled per fotone, ", ha affermato il coautore Sebastian Ecker dell'Accademia austriaca delle scienze. "Ci riferiamo a questo come entanglement ad alta dimensione. L'aumento della dimensionalità dell'entanglement promette velocità di trasmissione dati più elevate e migliori livelli di sicurezza nella crittografia quantistica, poiché i tentativi di copiare stati quantistici ad alta dimensione comportano errori maggiori rispetto alla codifica bidimensionale, rendendo così più facile rilevare un intercettatore. Per di più, certe trasformazioni sono più facili da realizzare quando gli stati quantistici sono codificati in diversi gradi di libertà, che può creare protocolli di elaborazione delle informazioni quantistiche, come il teletrasporto quantistico e la codifica densa, più facile da implementare nella pratica."

Nel futuro, i fisici sperano di aumentare la dimensionalità ben oltre le quattro dimensioni, spingendo la quantità di informazioni quantistiche che può essere trasmessa da un singolo fotone ai suoi limiti ultimi. Ciò potrebbe aumentare significativamente la velocità dei dati nei futuri esperimenti satellitari.

"Nel nostro esperimento, abbiamo usato due dimensioni dello spazio tempo-energia, "Ha detto Steinlechner. "Tuttavia, a differenza della polarizzazione, l'entanglement tempo-energia non è fondamentalmente limitato a due possibili stati e la sua potenziale dimensionalità è di ordini di grandezza maggiore".

Se l'iperentanglement può essere trasmesso più in alto nello spazio, aprirebbe anche possibilità per nuovi tipi di esperimenti di fisica fondamentale. Questi potrebbero includere lo studio del collasso indotto dalla gravità della funzione d'onda e l'elaborazione delle informazioni quantistiche in condizioni relativistiche.

© 2017 Phys.org