Fisici della Saarland University di Saarbrücken, Germania, sono riusciti a coinvolgere un singolo atomo con un singolo fotone nella gamma di lunghezze d'onda delle telecomunicazioni. Ciò costituisce un elemento fondamentale per la trasmissione di informazioni quantistiche a lunga distanza con basse perdite. I risultati hanno suscitato interesse nella comunità della tecnologia quantistica e sono ora pubblicati in Comunicazioni sulla natura .
La comunicazione che utilizza gli stati quantistici offre la massima sicurezza, perché i tentativi di intercettazione perturbano il segnale e quindi non rimarrebbero inosservati. Per la stessa ragione, anche se, la trasmissione a lunga distanza di tali informazioni è difficile. Nelle telecomunicazioni classiche, la crescente attenuazione del segnale viene contrastata misurando, amplificandolo e ritrasmettendolo nelle cosiddette stazioni ripetitrici, ma questo risulta essere dannoso per l'informazione quantistica quanto un intercettatore.
Perciò, bisogna usare un principio diverso:il ripetitore quantistico. Qui, l'entanglement quantistico viene prima stabilito su una breve distanza e quindi propagato a separazioni più lunghe. L'entanglement quantistico tra due particelle significa che il loro stato comune è definito con precisione, sebbene quando si misurano i singoli stati delle particelle, i risultati sono casuali e imprevedibili. Una possibile realizzazione è quella di impigliare un singolo atomo con un fotone che emette. Questo è ciò che accade nei laboratori del Prof. Jürgen Eschner, impiegando singoli atomi di calcio in una trappola ionica controllata da impulsi laser (www.uni-saarland.de/en/lehrstuhl/eschner.html). Per la lunghezza d'onda di 854 nanometri in cui si crea l'entanglement atomo-fotone, però, non esistono fibre ottiche a bassa perdita per la trasmissione a lunga distanza; Invece, si vorrebbe trasmettere i fotoni in una delle cosiddette bande di telecomunicazione (1300 – 1560 nanometri). La tecnologia per convertire i fotoni in questo regime, il convertitore di frequenza quantistico, è stato sviluppato dal Prof. Christoph Becher e dal suo gruppo di ricerca (www.uni-saarland.de/fak7/becher/index.htm).
Insieme, i due gruppi hanno ora dimostrato che dopo la conversione quantistica della frequenza, il fotone delle telecomunicazioni è ancora impigliato con l'atomo che ha emesso il fotone originale, e che l'alta qualità dell'entanglement sia mantenuta. Uno degli aspetti affascinanti del lavoro è che lo stato quantistico entangled delle due particelle microscopiche (un singolo atomo e un singolo fotone telecom) si estende su diversi piani dell'edificio di fisica dell'università. "Questo apre la strada all'entanglement per oltre 20 chilometri e oltre", commenta Matthias Bock, dottorato di ricerca studente in tecnologie quantistiche e primo autore dello studio. I risultati sono un passo importante verso l'integrazione delle tecnologie quantistiche nelle telecomunicazioni convenzionali; per la loro ricerca verso questo obiettivo, i due gruppi dell'Università del Saarland sono finanziati dal Ministero tedesco dell'Istruzione e della Ricerca, BMBF.
Spiegazione dell'entanglement quantistico:
Lo stato di un singolo bit quantistico (un atomo con due stati energetici del suo elettrone, o un fotone con due direzioni di polarizzazione) può essere visualizzato come un punto sulla superficie di una sfera. La misurazione di tale stato fornisce un risultato imprevedibile in qualsiasi punto della superficie. L'altro qubit che è impigliato con il primo sarà, però, trovarsi sempre nel punto opposto della sfera. Questa correlazione può esistere anche su grandi distanze. Einstein chiamò questo fenomeno "azione spettrale a distanza"; appartiene alle peculiarità non intuitive della meccanica quantistica, ma è stato confermato in molti esperimenti.
