Alcuni dei più avanzati sistemi di comunicazione attualmente in fase di sviluppo si basano sulle proprietà della scienza quantistica per memorizzare e trasportare informazioni. Però, ricercatori che progettano sistemi di comunicazione quantistica basati sulla luce, piuttosto che corrente elettrica, per trasmettere informazioni devono affrontare un dilemma:i componenti ottici che memorizzano ed elaborano le informazioni quantistiche richiedono tipicamente fotoni di luce visibile (particelle di luce) per funzionare. Però, solo i fotoni nel vicino infrarosso, con lunghezze d'onda circa 10 volte più lunghe, possono trasportare tali informazioni su chilometri di fibre ottiche.

Ora, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un nuovo modo per risolvere questo problema. Per la prima volta, il team ha creato coppie quantistiche correlate composte da un fotone visibile e uno nel vicino infrarosso utilizzando componenti ottici basati su chip che possono essere prodotti in serie. Queste coppie di fotoni combinano il meglio di entrambi i mondi:i partner della luce visibile possono interagire con gli atomi intrappolati, ioni, o altri sistemi che fungono da versioni quantistiche della memoria del computer mentre i membri del vicino infrarosso di ciascuna coppia sono liberi di propagarsi su lunghe distanze attraverso la fibra ottica.

Il risultato promette di aumentare la capacità dei circuiti basati sulla luce di trasmettere in modo sicuro informazioni a luoghi lontani. I ricercatori del NIST Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan e i loro colleghi del NanoCenter dell'Università del Maryland a College Park, dimostrato la correlazione quantistica, noto come coinvolgimento, utilizzando una coppia specifica di fotoni della luce visibile e del vicino infrarosso. Però, i metodi di progettazione dei ricercatori possono essere facilmente applicati per creare molte altre coppie luce visibile/vicino infrarosso su misura per adattarsi a specifici sistemi di interesse. Inoltre, i componenti ottici in miniatura che hanno creato gli entanglement sono prodotti in gran numero.

Lu, Srinivasan e i suoi colleghi hanno recentemente descritto il loro lavoro in Fisica della natura .

Una delle proprietà più controintuitive della meccanica quantistica, l'entanglement quantistico si verifica quando due o più fotoni o altre particelle sono preparati in modo tale da renderli così intrinsecamente connessi da comportarsi come un'unità. Una misura che determina lo stato quantistico di una delle particelle entangled determina automaticamente lo stato dell'altra, anche se le due particelle si trovano ai lati opposti dell'universo. L'entanglement è al centro di molti schemi di informazione quantistica, compreso il calcolo quantistico e la crittografia.

In molte situazioni, i due fotoni che sono entangled hanno lunghezze d'onda simili, o colori. Ma i ricercatori del NIST hanno deliberatamente deciso di creare coppie strane, intrecci tra fotoni i cui colori sono molto diversi.

"Volevamo collegare insieme fotoni di luce visibile, che sono utili per immagazzinare informazioni nei sistemi atomici, e fotoni per telecomunicazioni, che sono nel vicino infrarosso e sono in grado di viaggiare attraverso fibre ottiche con una bassa perdita di segnale, ", ha detto Srinivasan.

Per rendere i fotoni adatti all'interazione con la maggior parte dei sistemi di memorizzazione delle informazioni quantistiche, il team aveva anche bisogno che la luce avesse un picco netto a una particolare lunghezza d'onda piuttosto che avere una luce più ampia, distribuzione più diffusa.

Per creare le coppie intrecciate, il team ha costruito una "galleria dei sussurri" ottica appositamente studiata:un risonatore di nitruro di silicio di dimensioni nanometriche che dirige la luce intorno a una piccola pista, simile al modo in cui le onde sonore viaggiano senza ostacoli attorno a un muro curvo come la cupola della Cattedrale di St. Paul a Londra. In tali strutture curve, note come gallerie sussurrate acustiche, una persona in piedi vicino a una parte del muro sente facilmente un debole suono proveniente da qualsiasi altra parte del muro.

Quando una lunghezza d'onda selezionata della luce laser è stata diretta nel risonatore, sono emerse coppie entangled di fotoni della luce visibile e del vicino infrarosso. (Il tipo specifico di entanglement impiegato nell'esperimento, noto come entanglement tempo-energia, collega l'energia delle coppie di fotoni con il momento in cui vengono generati.)

"Abbiamo capito come progettare questi risonatori a galleria sussurrante per produrre un gran numero delle coppie che volevamo, con pochissimo rumore di fondo e altra luce estranea, " ha detto Lu. I ricercatori hanno confermato che l'entanglement persisteva anche dopo che i fotoni delle telecomunicazioni hanno viaggiato attraverso diversi chilometri di fibra ottica.

Nel futuro, combinando due delle coppie entangled con due memorie quantistiche, l'entanglement inerente alle coppie di fotoni può essere trasferito alle memorie quantistiche. Questa tecnica, noto come scambio di entanglement, permette ai ricordi di essere intrecciati tra loro su una distanza molto più lunga di quanto sarebbe normalmente possibile.

"Il nostro contributo è stato capire come realizzare una sorgente di luce quantistica con le giuste proprietà che potrebbe consentire un tale entanglement a lunga distanza, " ha detto Srinivasan.