Un'internet quantistica potrebbe essere utilizzata per inviare messaggi non hackerabili, migliorare la precisione del GPS, e abilitare il calcolo quantistico basato su cloud. Da più di vent'anni, i sogni di creare una tale rete quantistica sono rimasti fuori portata in gran parte a causa della difficoltà di inviare segnali quantistici su grandi distanze senza perdite.

Ora, I ricercatori di Harvard e del MIT hanno trovato un modo per correggere la perdita di segnale con un prototipo di nodo quantistico in grado di catturare, memorizzare e intrappolare bit di informazioni quantistiche. La ricerca è l'anello mancante verso una pratica Internet quantistica e un importante passo avanti nello sviluppo di reti quantistiche a lunga distanza.

"Questa dimostrazione è una svolta concettuale che potrebbe estendere la gamma più lunga possibile di reti quantistiche e potenzialmente consentire molte nuove applicazioni in un modo impossibile con qualsiasi tecnologia esistente, " ha detto Mikhail Lukin, il professore di fisica George Vasmer Leverett e co-direttore dell'Harvard Quantum Initiative. "Questa è la realizzazione di un obiettivo che è stato perseguito dalla nostra comunità di scienza e ingegneria quantistica per più di due decenni".

La ricerca è pubblicata su Natura .

Ogni forma di tecnologia di comunicazione, dal primo telegrafo all'odierna Internet in fibra ottica, ha dovuto affrontare il fatto che i segnali si degradano e si perdono quando vengono trasmessi a distanza. I primi ripetitori, che ricevono e amplificano i segnali per correggere questa perdita, sono stati sviluppati per amplificare i segnali telegrafici a filo evanescente a metà del 1800. Duecento anni dopo, i ripetitori sono parte integrante della nostra infrastruttura di comunicazione a lunga distanza.

In una rete classica, se Alice a New York vuole mandare un messaggio a Bob in California, il messaggio viaggia da costa a costa più o meno in linea retta. Lungo la strada, il segnale passa attraverso i ripetitori, dove si legge, amplificato e corretto per gli errori. L'intero processo è in qualsiasi momento vulnerabile agli attacchi.

Se Alice vuole inviare un messaggio quantistico, però, il processo è diverso. Le reti quantistiche utilizzano particelle quantistiche di luce, singoli fotoni, per comunicare stati quantistici di luce su lunghe distanze. Queste reti hanno un trucco che i sistemi classici non hanno:l'entanglement.

L'entanglement - ciò che Einstein chiamava "azione spettrale a distanza" - consente di correlare perfettamente bit di informazioni a qualsiasi distanza. Poiché i sistemi quantistici non possono essere osservati senza cambiare, Alice potrebbe usare l'entanglement per inviare messaggi a Bob senza alcun timore di intercettazioni. Questa nozione è la base per applicazioni come la crittografia quantistica, la sicurezza garantita dalle leggi della fisica quantistica.

Comunicazione quantistica su lunghe distanze, però, è anche influenzato dalle convenzionali perdite di fotoni, che è uno dei principali ostacoli alla realizzazione di Internet quantistico su larga scala. Ma, lo stesso principio fisico che rende la comunicazione quantistica ultra-sicura rende anche impossibile l'uso esistente, ripetitori classici per riparare la perdita di informazioni.

Come puoi amplificare e correggere un segnale se non riesci a leggerlo? La soluzione a questo compito apparentemente impossibile coinvolge un cosiddetto ripetitore quantistico. A differenza dei ripetitori classici, che amplificano un segnale attraverso una rete esistente, i ripetitori quantistici creano una rete di particelle entangled attraverso la quale è possibile trasmettere un messaggio.

In sostanza, un ripetitore quantistico è un piccolo, computer quantistico per scopi speciali. In ogni fase di tale rete, i ripetitori quantistici devono essere in grado di catturare ed elaborare bit quantistici di informazioni quantistiche per correggere gli errori e memorizzarli abbastanza a lungo da consentire al resto della rete di essere pronto. Fino ad ora, ciò è stato impossibile per due motivi:primo, i singoli fotoni sono molto difficili da catturare. Secondo, le informazioni quantistiche sono notoriamente fragili, rendendo molto difficile l'elaborazione e la conservazione per lunghi periodi di tempo.

il laboratorio di Lukin, in collaborazione con Marko Loncar, il Tiantsai Lin Professor of Electrical Engineering presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS),

Parco Hongkun, Mark Hyman Jr. Professore di Chimica presso la Facoltà di Arti e Scienze di Harvard (FAS), e Dirk Englund, Professore Associato di Ingegneria Elettrica e Informatica presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT), ha lavorato per sfruttare un sistema in grado di svolgere bene entrambe queste attività:i centri di colore liberi di silicio nei diamanti.

Questi centri sono piccoli difetti nella struttura atomica di un diamante che possono assorbire e irradiare luce, dando origine ai colori brillanti di un diamante.

"Negli ultimi anni, i nostri laboratori hanno lavorato per comprendere e controllare i singoli centri di colore liberi di silicio, in particolare su come usarli come dispositivi di memoria quantistica per singoli fotoni, " disse Mihir Bhaskar, uno studente laureato nel gruppo Lukin.

I ricercatori hanno integrato un singolo centro di colore in una cavità di diamante nanofabbricata, che confina i fotoni portatori di informazioni e li costringe ad interagire con il singolo centro colore. Hanno quindi collocato il dispositivo in un frigorifero a diluizione, che raggiunge temperature prossime allo zero assoluto, e ha inviato singoli fotoni attraverso cavi in ​​fibra ottica nel frigorifero, dove sono stati efficacemente catturati e intrappolati dal centro colore.

Il dispositivo può memorizzare le informazioni quantistiche per millisecondi, abbastanza a lungo da consentire il trasporto delle informazioni per migliaia di chilometri. Gli elettrodi incorporati intorno alla cavità sono stati utilizzati per fornire segnali di controllo per elaborare e preservare le informazioni archiviate nella memoria.

"Questo dispositivo combina i tre elementi più importanti di un ripetitore quantistico:una lunga memoria, la capacità di catturare in modo efficiente le informazioni dai fotoni, e un modo per elaborarlo localmente, "ha detto Bart Machielse, uno studente laureato nel Laboratorio di Ottica Nanoscala. "Ognuna di queste sfide è stata affrontata separatamente, ma nessun dispositivo le ha combinate tutte e tre".

"Attualmente, stiamo lavorando per estendere questa ricerca implementando le nostre memorie quantistiche in realtà, collegamenti urbani in fibra ottica, " ha detto Ralf Riedinger, un candidato post-dottorato nel gruppo Lukin. "Abbiamo in programma di creare grandi reti di memorie quantistiche entangled ed esplorare le prime applicazioni dell'internet quantistica".

"Questa è la prima dimostrazione a livello di sistema, combinando importanti progressi nella nanofabbricazione, fotonica e controllo quantistico, che mostra un chiaro vantaggio quantistico nella comunicazione delle informazioni utilizzando i nodi ripetitori quantistici. Non vediamo l'ora di iniziare ad esplorare nuovi, applicazioni uniche che utilizzano queste tecniche, " disse Lukin.