L'elemento centrale del nostro ripetitore quantistico è un cubo di vetro. Inseriamo due fotoni indipendenti, e finché possiamo rilevare due fotoni che escono dagli altri lati sappiamo che possiamo eseguire lo scambio di entanglement. Credito:Wits University
Comunicazioni sulla natura ricerca pubblicata oggi da un team composto da ricercatori scozzesi e sudafricani, dimostrando lo scambio di entanglement e il teletrasporto di "schemi" di luce del momento angolare orbitale. Questo è un passo cruciale verso la realizzazione di un ripetitore quantistico per stati entangled ad alta dimensione.
La comunicazione quantistica su lunghe distanze è parte integrante della sicurezza delle informazioni ed è stata dimostrata nello spazio libero e in fibra con stati bidimensionali, recentemente su distanze superiori a 1200 km tra i satelliti. Ma usare solo due stati riduce la capacità di informazione dei fotoni, quindi il collegamento è sicuro ma lento. Per renderlo sicuro e veloce richiede un alfabeto di dimensioni superiori, Per esempio, usando modelli di luce, di cui sono infiniti. Uno di questi modelli è il momento angolare orbitale (OAM) della luce. È possibile ottenere maggiori velocità in bit utilizzando OAM come vettore di informazioni. Però, tali stati di fotoni decadono quando trasmessi su lunghe distanze, Per esempio, a causa dell'accoppiamento di modalità in fibra o turbolenza nello spazio libero, richiedendo così un modo per amplificare il segnale. Sfortunatamente tale "amplificazione" non è consentita nel mondo quantistico, ma è possibile creare un'analogia, chiamato ripetitore quantistico, simili ai ripetitori in fibra ottica nelle reti ottiche classiche.
Una parte integrante di un ripetitore quantistico è la capacità di entanglement due fotoni che non hanno mai interagito - un processo denominato "scambio di entanglement". Ciò si ottiene interferendo due fotoni da coppie entangled indipendenti, con conseguente entanglement dei restanti due fotoni. Ciò consente di stabilire l'entanglement tra due punti distanti senza richiedere che un fotone percorre l'intera distanza, riducendo così gli effetti del decadimento e della perdita. Significa anche che non devi avere una linea di vista tra i due luoghi.
Alfabeto delle modalità OAM. Le modalità OAM sono talvolta chiamate luce contorta poiché la luce appare come un anello con un vortice nel mezzo. La luce può essere ruotata una volta, due volte, tre volte e così via per creare un alfabeto ad alta dimensione. Credito:Wits University
Un risultato di ciò è che l'informazione di un fotone può essere trasferita all'altro, un processo chiamato teletrasporto. Come nella serie di fantascienza, Star Trek, dove le persone vengono "trasportate" da un luogo all'altro, le informazioni vengono "teletrasportate" da un luogo all'altro. Se due fotoni sono entangled e cambi un valore su uno di essi, poi anche l'altro cambia automaticamente. Questo accade anche se i due fotoni non sono mai collegati e, infatti, sono in due posti completamente diversi.
In questo ultimo lavoro, il team ha eseguito la prima dimostrazione sperimentale di scambio di entanglement e teletrasporto per stati di luce a momento angolare orbitale (OAM). Hanno dimostrato che è possibile stabilire correlazioni quantistiche tra fotoni precedentemente indipendenti, e che questo potrebbe essere utilizzato per inviare informazioni attraverso un collegamento virtuale. È importante sottolineare che lo schema è scalabile a dimensioni superiori, aprendo la strada alla comunicazione quantistica a lunga distanza con un'elevata capacità di informazione.
Schema dell'esperimento. Vengono creati quattro fotoni, una coppia da ciascuna sorgente di entanglement (BBO). Uno da ogni coppia (B e C) sono riuniti su un divisore di fascio. Quando tutti e quattro i fotoni sono misurati insieme si trova che i fotoni A e D, che prima era indipendente, ora sono impigliati. Credito:Wits University
Sfondo
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. Una di queste proprietà è l'entanglement. Quando due particelle sono entangled, sono collegate in un senso spettrale:una misurazione su una cambia immediatamente lo stato dell'altra, non importa quanto siano distanti. L'entanglement è una delle risorse fondamentali necessarie per realizzare una rete quantistica.
Tuttavia, un collegamento di comunicazione quantistica sicuro a lunga distanza è molto impegnativo:i collegamenti quantistici che utilizzano modelli di luce languono a brevi distanze proprio perché non c'è modo di proteggere il collegamento dal rumore senza rilevare i fotoni, tuttavia, una volta individuati, la loro utilità viene distrutta. Per ovviare a questo si può avere una stazione ripetitrice a distanze intermedie - questo permette di condividere informazioni su una distanza molto più lunga senza la necessità che le informazioni fluiscano fisicamente su quel collegamento. L'ingrediente principale è far sì che i fotoni indipendenti rimangano impigliati. Mentre questo è stato dimostrato in precedenza con stati bidimensionali, in questo lavoro il team ha mostrato la prima dimostrazione con OAM e in spazi ad alta dimensionalità.
