Modi tradizionali di produrre entanglement, necessario per lo sviluppo di qualsiasi "Internet quantistica" che colleghi computer quantistici, non sono molto adatti per le reti di telecomunicazioni in fibra ottica utilizzate dall'odierna Internet non quantistica. Però, i ricercatori hanno escogitato un nuovo modo per produrre tali particelle che è molto più compatibile.

Nella rete di telecomunicazioni di oggi, collegato tramite cavo in fibra ottica, i fotoni che vengono trasmessi tendono ad essere assorbiti entro pochi chilometri dal materiale di cui è composto il cavo. Per evitare il deterioramento del segnale, ripetitori sono stabiliti a intervalli regolari per amplificarlo.

Problemi simili vanificheranno gli sforzi verso le comunicazioni quantistiche e, in definitiva, un Internet quantistico. Tomoyuki Horikiri e colleghi della Yokohama National University stanno affrontando questo problema sviluppando una nuova fonte di fotoni entangled.

I loro risultati sono stati pubblicati il ​​12 agosto in Fisica delle comunicazioni .

Una coppia di particelle, o qubit, diventa entangled quando lo stato quantico di ciascuna di esse è inevitabilmente connesso allo stato quantico dell'altra particella. Perciò, una misurazione eseguita su un qubit sarà sempre correlata a una misurazione sull'altro qubit, indipendentemente dalla distanza.

Questo intreccio, notoriamente descritto nelle spiegazioni della scienza popolare come "azione spettrale a distanza, ' è la chiave per qualsiasi infrastruttura di comunicazione quantistica del futuro.

Sfruttando questo fenomeno spettrale, i ricercatori possono utilizzare fotoni entangled per trasferire informazioni tra due posizioni. Il mittente ha metà dei fotoni entangled e il destinatario ha l'altra metà. I due utenti, Per esempio, può stabilire una stringa di bit segreta casuale per la crittografia tramite l'entanglement condiviso.

Ma la comunicazione quantistica a lunga distanza soffre anche di perdite di fibre ottiche, con fotoni entangled che si districano a causa dell'interazione con l'ambiente circostante, e ripetitori quantistici, dove vengono caricate le memorie quantistiche, sarebbe necessario per prolungare la distanza della comunicazione quantistica. Il ripetitore memorizza lo stato quantistico dei fotoni inviati dagli utenti. Un groviglio 'scambio, ' eseguita da una misura dei fotoni, propaga efficacemente l'entanglement su distanze molto più lunghe, come i corridori che passano i manganelli in una staffetta.

Un ripetitore quantistico funziona tramite uno scambio ripetuto di stati quantistici tra luce e materia. Ciò richiede una fonte di particelle entangled compatibile con la memoria quantistica. Sfortunatamente, la memoria quantistica assorbe generalmente una larghezza ridotta dello spettro di un raggio di luce (nota come larghezza di riga), ma le sorgenti tradizionali di una coppia di fotoni con entanglement quantistico hanno un ampio spettro. Ciò si traduce in un accoppiamento molto scarso tra una coppia di fotoni entangled e la memoria quantistica.

Finora, gli sforzi per sviluppare sorgenti di fotoni entangled hanno faticato a soddisfare tutti i requisiti per la compatibilità della memoria quantistica-ripetitore e l'applicazione nel mondo reale:un numero elevato di fotoni (per grandi quantità di traffico), larghezza di linea stretta, e alta fedeltà di aggancio.

Per decenni, il modo più comune per produrre particelle entangled è stata una tecnica chiamata down-conversion parametrica spontanea, o SPDC. Usa i cristalli per convertire singoli fotoni ad alta energia in coppie di fotoni entangled con metà dell'energia originale.

"Questo è stato fantastico per gli esperimenti sull'informazione quantistica, " ha detto Horikiri. "Ma per le comunicazioni quantistiche a banda larga, SPDC non è molto compatibile con le strette transizioni energetiche coinvolte nella produzione della memoria quantistica necessaria per i ripetitori quantistici".

I ricercatori hanno migliorato questa tecnica in effetti posizionando il cristallo in una cavità ottica a forma di papillon, e sono stati in grado di propagare con successo fotoni entangled per oltre dieci chilometri attraverso la fibra ottica, ripetuto una volta per una distanza complessiva di 20 chilometri.

A seguito di questa prova di concetto per una nuova fonte di fotoni entangled compatibili con la memoria quantistica che possono essere distribuiti attraverso un cavo in fibra ottica con basse perdite, i ricercatori ora vogliono implementare la loro tecnica tramite più nodi ripetitori per distanze molto più lunghe.