La comunicazione quantistica e la crittografia sono il futuro della comunicazione ad alta sicurezza. Ma molte sfide ci attendono prima di poter creare una rete quantistica mondiale, compresa la propagazione del segnale quantistico su lunghe distanze. Una delle sfide principali è creare ricordi con la capacità di immagazzinare informazioni quantistiche trasportate dalla luce. Ricercatori dell'Università di Ginevra (UNIGE), Svizzera, in collaborazione con CNRS, Francia, hanno scoperto un nuovo materiale in cui un elemento, itterbio, può archiviare e proteggere le fragili informazioni quantistiche anche durante il funzionamento ad alte frequenze. Questo rende l'itterbio un candidato ideale per le future reti quantistiche, dove lo scopo è propagare il segnale su lunghe distanze fungendo da ripetitori. Questi risultati sono pubblicati sulla rivista Materiali della natura .

La crittografia quantistica oggi utilizza la fibra ottica per diverse centinaia di chilometri ed è caratterizzata dal suo alto grado di sicurezza:è impossibile copiare o intercettare informazioni senza farle scomparire.

Però, il fatto che sia impossibile copiare il segnale impedisce anche agli scienziati di amplificarlo per diffonderlo su lunghe distanze, come nel caso della rete Wi-Fi.

Trovare il materiale giusto per produrre memorie quantistiche

Poiché il segnale non può essere copiato o amplificato senza che scompaia, gli scienziati stanno attualmente lavorando su come rendere le memorie quantistiche in grado di ripeterlo catturando i fotoni e sincronizzandoli in modo che possano essere diffusi sempre di più. Non resta che trovare il materiale giusto per realizzare queste memorie quantistiche. "La difficoltà è trovare un materiale in grado di isolare l'informazione quantistica trasmessa dai fotoni dai disturbi ambientali in modo da poterli trattenere per un secondo circa e sincronizzarli, " spiega Mikael Afzelius, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica Applicata della Facoltà di Scienze dell'UNIGE. "Ma un fotone viaggia intorno a 300, 000 km in un secondo!" Ciò significava che i fisici e i chimici hanno dovuto portare alla luce un materiale molto ben isolato dai disturbi ma ancora in grado di funzionare ad alte frequenze in modo che il fotone possa essere immagazzinato e ripristinato rapidamente, due caratteristiche che sono spesso considerato incompatibile.

Un "punto di svolta" per il "Santo Graal" delle terre rare

Sebbene esistano già prototipi di memoria quantistica testati in laboratorio, compresi quelli a base di terre rare come europio o praseodimio, la loro velocità non è ancora abbastanza alta. "Così, abbiamo rivolto il nostro interesse a una terra rara della tavola periodica che finora aveva ricevuto solo poca attenzione:itterbio, " spiega Nicolas Gisin, professore presso il Dipartimento di Fisica Applicata della Facoltà di Scienze dell'UNIGE e fondatore di ID Quantique. "Il nostro obiettivo era trovare il materiale ideale per realizzare ripetitori quantistici, che comporta l'isolamento degli atomi dal loro ambiente, che tende a disturbare il segnale, " aggiunge il professor Gisin. E questo sembra essere il caso dell'itterbio!

I fisici dell'UNIGE e del CNRS hanno scoperto che, sottoponendo questa terra rara a campi magnetici molto precisi, l'atomo di terra rara entra in uno stato di insensibilità che lo taglia fuori dai disturbi nel suo ambiente, rendendo possibile intrappolare il fotone in modo che possa essere sincronizzato. "Abbiamo trovato un 'punto magico' variando l'ampiezza e la direzione del campo magnetico, "dice Aleksej Tiranov, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica Applicata dell'UNIGE, e Philippe Goldner, ricercatore presso l'istituto di ricerca Chimie Paris. "Quando si raggiunge questo punto, i tempi di coerenza degli atomi di itterbio sono aumentati di un fattore 1, 000, mentre si lavora ad alte frequenze!"

I benefici dell'itterbio

I fisici stanno ora costruendo memorie quantistiche a base di itterbio che possono essere utilizzate per effettuare rapidamente transizioni da un ripetitore a un altro mantenendo il fotone il più a lungo possibile per consentire la sincronizzazione necessaria. "Questo materiale apre un nuovo campo di possibilità per la creazione di una rete quantistica globale; sottolinea anche l'importanza di perseguire la ricerca fondamentale in parallelo con una ricerca più applicata, come ideare una memoria quantistica, " conclude Afzelius.