Illustrazione schematica di una rete di informazioni ibrida con due nodi quantistici composta da una nuvola fredda di Rubidio (nube rossa a sinistra) e un cristallo drogato con ioni Praseodimio (cubo bianco a destra). Credito:ICFO/Scixel
In un recente studio pubblicato su Natura , I ricercatori ICFO guidati dal Prof. Hugues de Riedmatten di ICREA riportano un collegamento di rete quantistica "ibrido" elementare e dimostrano la comunicazione quantistica fotonica tra due distinti nodi quantistici collocati in diversi laboratori, utilizzando un singolo fotone come vettore di informazioni.
Oggi, le reti di informazioni quantistiche stanno diventando una tecnologia dirompente che fornirà capacità radicalmente nuove per l'elaborazione e la comunicazione delle informazioni. Ricerche recenti suggeriscono che questa rivoluzione delle reti quantistiche potrebbe essere proprio dietro l'angolo.
Gli elementi chiave di una rete di informazioni quantistiche sono i nodi quantistici di elaborazione delle informazioni costituiti da sistemi di materia come gas atomici freddi o solidi drogati, e particelle comunicanti, principalmente fotoni. Mentre i fotoni sembrano essere perfetti portatori di informazioni, c'è ancora incertezza su quale sistema di materia potrebbe essere usato come nodo di rete, poiché ogni sistema fornisce funzionalità diverse. Perciò, è stata proposta l'implementazione di una rete ibrida, cercando di combinare le migliori capacità di diversi sistemi di materiali.
Studi precedenti hanno documentato trasferimenti affidabili di informazioni quantistiche tra nodi identici, ma questa è la prima volta che ciò è stato ottenuto con una rete "ibrida" di nodi. I ricercatori dell'ICFO hanno sviluppato una soluzione e risolto la sfida di un trasferimento affidabile di stati quantistici tra diversi nodi quantistici tramite singoli fotoni. Un singolo fotone deve interagire fortemente e in un ambiente privo di rumore con i nodi eterogenei o i sistemi di materia, che generalmente funzionano a diverse lunghezze d'onda e larghezze di banda. Come afferma Nicolas Maring "è come avere nodi che parlano in due lingue diverse. Affinché possano comunicare, è necessario convertire le proprietà del singolo fotone in modo che possa trasferire in modo efficiente tutte le informazioni tra questi diversi nodi."
Da destra a sinistra:Nicolas Maring, Pau Farrera e il Dr. Georg Heinze al setup sperimentale. Credito:ICFO
Come hanno risolto il problema?
Nel loro studio, i ricercatori dell'ICFO hanno utilizzato due nodi quantistici molto distinti:il nodo emittente era una nuvola di atomi di rubidio raffreddata al laser e il nodo ricevente un cristallo drogato con ioni praseodimio. Dal gas freddo, hanno generato un bit quantistico (qubit) codificato in un singolo fotone con una larghezza di banda molto stretta e una lunghezza d'onda di 780 nm. Hanno quindi convertito il fotone alla lunghezza d'onda di 1552 nm per dimostrare che questa rete potrebbe essere completamente compatibile con l'attuale gamma di banda C delle telecomunicazioni. Successivamente, lo hanno inviato attraverso una fibra ottica da un laboratorio all'altro. Una volta nel secondo laboratorio, la lunghezza d'onda del fotone è stata convertita a 606 nm per interagire correttamente e trasferire lo stato quantico al nodo di cristallo drogato ricevente. Dopo l'interazione con il cristallo, il qubit fotonico è stato immagazzinato nel cristallo per circa 2,5 microsecondi e recuperato con altissima fedeltà.
I risultati dello studio mostrano che due sistemi quantistici molto diversi possono essere collegati e comunicare per mezzo di un singolo fotone. Il prof di ICREA all'ICFO Hugues de Riedmatten afferma:"Essere in grado di connettere nodi quantistici con funzionalità e capacità molto diverse e trasmettere bit quantistici tramite singoli fotoni tra loro rappresenta un'importante pietra miliare nello sviluppo di reti quantistiche ibride". La capacità di eseguire la conversione avanti e indietro di qubit fotonici alla lunghezza d'onda della banda C delle telecomunicazioni mostra che questi sistemi sarebbero completamente compatibili con le attuali reti di telecomunicazioni.
Vantaggi delle reti di informazione quantistiche rispetto a quelle classiche
Il World Wide Web è stato sviluppato negli anni '80, con informazioni che fluiscono attraverso la rete per mezzo di bit elaborati e modulati da circuiti elettronici e chip e trasmessi da impulsi luminosi che muovono informazioni attraverso la rete con perdite minime di segnale tramite fibre ottiche.
Invece di usare i bit classici, le reti di informazioni quantistiche elaborerebbero e memorizzerebbero le informazioni quantistiche attraverso bit quantistici o "qubit". Mentre i bit possono essere zero o uno, i qubit esistono in una sovrapposizione di questi due stati. In una rete quantistica, sono generati ed elaborati da sistemi di materia quantistica, per esempio. gas atomici freddi, solidi drogati o altri sistemi. Contrariamente alle reti classiche, le informazioni quantistiche vengono trasferite tra i nodi utilizzando singoli fotoni invece di forti impulsi di luce.
Le reti di informazione quantistica (costituite da nodi quantistici di materia e canali di comunicazione quantistica) apriranno un nuovo percorso di tecnologie dirompenti, abilitare, Per esempio, trasmissione dei dati perfettamente sicura, elaborazione avanzata dei dati tramite calcolo quantistico distribuito o applicazioni avanzate di sincronizzazione dell'orologio, tra gli altri.
