Comunicazione quantistica, dove le informazioni vengono inviate attraverso particelle, fotoni tipicamente entangled, ha il potenziale per diventare il canale di comunicazione sicuro definitivo. Non solo è quasi impossibile origliare la comunicazione quantistica, chi ci prova lascerà anche la prova delle sue indiscrezioni.

Però, invio di informazioni quantistiche tramite fotoni sui canali tradizionali, come linee in fibra ottica, è difficile:i fotoni che trasportano le informazioni sono spesso corrotti o persi, rendendo i segnali deboli o incoerenti. Spesso un messaggio deve essere inviato più volte per assicurarsi che sia andato a buon fine.

In un nuovo documento, gli scienziati della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell'Università di Chicago hanno dimostrato una nuova tecnica di comunicazione quantistica che aggira completamente questi canali. Collegando due nodi di comunicazione con un canale, mostrano che questa nuova tecnica può inviare informazioni in modo quantistico tra i nodi, senza mai occupare il canale di collegamento.

La ricerca, guidato dal Prof. Andrew Cleland e pubblicato il 17 giugno sulla rivista Lettere di revisione fisica , sfrutta lo spaventoso fenomeno quantistico dell'entanglement tra i due nodi e mostra una potenziale nuova direzione per il futuro della comunicazione quantistica.

La ricerca si unisce a un secondo paper pubblicato di recente, dove il gruppo di Cleland ha intrecciato per la prima volta due fononi, le particelle quantistiche del suono, aprendo le porte a potenziali nuove tecnologie.

"Entrambi gli articoli rappresentano un nuovo modo di avvicinarsi alla tecnologia quantistica, " disse Cleland, il John A. MacLean Sr. Professore di ingegneria molecolare presso Pritzker Molecular Engineering e uno scienziato senior presso l'Argonne National Laboratory. "Siamo entusiasti di ciò che questi risultati potrebbero significare per il futuro della comunicazione quantistica e dei sistemi quantistici a stato solido".

Comunicazione quantistica spettrale

Fotoni e fononi entangled sfidano l'intuizione:queste particelle possono essere entangled quanto-meccanicamente, un groviglio che può sopravvivere su grandi distanze. Un cambiamento in una particella provoca poi spaventosamente un cambiamento nell'altra. La comunicazione quantistica sfrutta questo fenomeno codificando le informazioni nelle particelle.

Cleland voleva trovare un metodo per inviare informazioni quantistiche senza perderle nella trasmissione. Lui e la sua squadra, incluso lo studente laureato PME Hung-Shen Chang, ha sviluppato un sistema che intreccia due nodi di comunicazione utilizzando fotoni a microonde, gli stessi fotoni utilizzati nel telefono cellulare, attraverso un cavo a microonde. Per questo esperimento, usavano un cavo per microonde lungo circa un metro. Accendendo e spegnendo il sistema in modo controllato, sono stati in grado di collegare quantisticamente i due nodi e inviare informazioni tra di loro, senza mai dover inviare fotoni attraverso il cavo.

"Abbiamo trasferito informazioni su un cavo di un metro senza inviare fotoni per farlo, un risultato piuttosto inquietante e insolito, " Cleland ha detto. "In linea di principio, questo funzionerebbe anche su una distanza molto più lunga. Sarebbe molto più veloce ed efficiente dei sistemi che inviano fotoni attraverso canali in fibra ottica".

Sebbene il sistema abbia dei limiti:deve essere tenuto molto freddo, a temperature di pochi gradi sopra lo zero assoluto, potrebbe potenzialmente funzionare a temperatura ambiente con atomi anziché fotoni. Ma il sistema di Cleland fornisce un maggiore controllo, e lui e il suo team stanno conducendo esperimenti che impigliano insieme diversi fotoni in uno stato più complicato.

Entanglement fononi con la stessa tecnica

Le particelle entangled non sono limitate solo a fotoni o atomi, però. In un secondo articolo pubblicato il 12 giugno sulla rivista Revisione fisica X , Cleland e il suo team hanno intrecciato due fononi, la particella quantistica del suono, per la prima volta in assoluto.

Utilizzando un sistema costruito per comunicare con i fononi, simile al sistema di comunicazione quantistica di fotoni, Il gruppo, tra cui l'ex borsista postdottorato Audrey Bienfait, impigliato due fononi a microonde (che hanno un tono circa un milione di volte più alto di quello che può essere ascoltato con l'orecchio umano).

Una volta che i fononi furono impigliati, la squadra ha usato uno dei fononi come "araldo, " che è stato utilizzato per influenzare il modo in cui il loro sistema quantistico utilizzava l'altro fonone. L'araldo ha permesso al team di eseguire un cosiddetto esperimento di "cancellazione quantistica", in cui le informazioni vengono cancellate da una misurazione, anche dopo che la misurazione è stata completata.

Sebbene i fononi abbiano molti svantaggi rispetto ai fotoni, ad esempio, tendono ad avere una vita più breve:interagiscono fortemente con un numero di sistemi quantistici allo stato solido che potrebbero non interagire fortemente con i fotoni. I fononi potrebbero fornire un modo migliore per accoppiarsi a questi sistemi

"Apre una nuova finestra su cosa si può fare con i sistemi quantistici, forse simile al modo in cui i rilevatori di onde gravitazionali, che utilizzano anche il movimento meccanico, hanno aperto un nuovo telescopio sull'universo, " ha detto Cleland.