I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno ideato e dimostrato un sistema che potrebbe aumentare notevolmente le prestazioni delle reti di comunicazione consentendo tassi di errore record nel rilevamento anche dei segnali più deboli, diminuendo potenzialmente la quantità totale di energia richiesta per le reti all'avanguardia di un fattore da 10 a 100.

Il sistema di prova del principio consiste in un nuovo ricevitore e nella corrispondente tecnica di elaborazione del segnale che, a differenza dei metodi utilizzati nelle reti odierne, sono interamente basati sulle proprietà della fisica quantistica e quindi in grado di gestire anche segnali estremamente deboli con impulsi che trasportano molti bit di dati.

"Abbiamo costruito il banco di prova della comunicazione utilizzando componenti standard per dimostrare che la comunicazione abilitata alla misurazione quantistica può potenzialmente essere ampliata per un uso commerciale diffuso, " disse Ivan Burenkov, un fisico al Joint Quantum Institute, un partenariato di ricerca tra il NIST e l'Università del Maryland. Burenkov e i suoi colleghi riportano i risultati in Revisione fisica X Quantum . "Il nostro sforzo mostra che le misurazioni quantistiche sono altre preziose, vantaggi finora imprevisti per le telecomunicazioni che portano a miglioramenti rivoluzionari nella larghezza di banda del canale e nell'efficienza energetica."

I moderni sistemi di comunicazione funzionano convertendo le informazioni in un flusso generato dal laser di impulsi luminosi digitali in cui le informazioni vengono codificate, sotto forma di modifiche alle proprietà delle onde luminose, per il trasferimento e quindi decodificate quando raggiungono il ricevitore. Il treno di impulsi diventa più debole mentre viaggia lungo i canali di trasmissione, e la tecnologia elettronica convenzionale per ricevere e decodificare dati ha raggiunto il limite della sua capacità di rilevare con precisione le informazioni in tali segnali attenuati.

L'impulso del segnale può ridursi fino a diventare debole come pochi fotoni, o anche meno di uno in media. A quel punto, inevitabili fluttuazioni quantistiche casuali chiamate "rumore di sparo" rendono impossibile una ricezione accurata del normale ("classica, " al contrario della tecnologia quantistica) perché l'incertezza causata dal rumore costituisce una parte così grande del segnale diminuito. Di conseguenza, i sistemi esistenti devono amplificare ripetutamente i segnali lungo la linea di trasmissione, con un notevole dispendio energetico, mantenendoli abbastanza forti da rilevare in modo affidabile.

Il sistema del team del NIST può eliminare la necessità di amplificatori perché può elaborare in modo affidabile anche impulsi di segnale estremamente deboli:"L'energia totale necessaria per trasmettere un bit diventa un fattore fondamentale che ostacola lo sviluppo delle reti, " ha detto Sergey Polyakov, scienziato senior del team del NIST. "L'obiettivo è ridurre la somma di energia richiesta dai laser, amplificatori, rilevatori, e apparecchiature di supporto per trasmettere in modo affidabile informazioni su lunghe distanze. Nel nostro lavoro qui abbiamo dimostrato che con l'aiuto della misurazione quantistica è possibile utilizzare anche deboli impulsi laser per comunicare più bit di informazioni, un passo necessario verso questo obiettivo".

Per aumentare la velocità di trasmissione delle informazioni, i ricercatori di rete stanno trovando modi per codificare più informazioni per impulso utilizzando proprietà aggiuntive dell'onda luminosa. Quindi un singolo impulso di luce laser, a seconda di come è stato originariamente preparato per la trasmissione, può trasportare più bit di dati. Per migliorare la precisione di rilevamento, i ricevitori con potenziamento quantistico possono essere montati su sistemi di rete classici. Ad oggi, queste combinazioni ibride possono elaborare fino a due bit per impulso. Il sistema quantistico NIST utilizza fino a 16 impulsi laser distinti per codificare fino a quattro bit.

Per dimostrare tale capacità, i ricercatori del NIST hanno creato un input di deboli impulsi laser paragonabili a un segnale di rete convenzionale sostanzialmente attenuato, con il numero medio di fotoni per impulso da 0,5 a 20 (sebbene i fotoni siano particelle intere, un numero inferiore a uno significa semplicemente che alcuni impulsi non contengono fotoni).

Dopo aver preparato questo segnale di ingresso, i ricercatori del NIST sfruttano le sue proprietà ondulatorie, come l'interferenza, finché non colpisce finalmente il rivelatore come fotoni (particelle). Nel campo della fisica quantistica, la luce può agire sia come particelle (fotoni) che come onde, con proprietà come frequenza e fase (le posizioni relative dei picchi d'onda).

All'interno del ricevitore, il treno di impulsi del segnale di ingresso si combina (interferisce) con un separato, raggio laser di riferimento regolabile, che controlla la frequenza e la fase del flusso luminoso combinato. È estremamente difficile leggere i diversi stati codificati in un segnale così debole. Quindi il sistema NIST è progettato per misurare le proprietà dell'intero impulso del segnale cercando di far corrispondere esattamente le proprietà del laser di riferimento ad esso. I ricercatori raggiungono questo obiettivo attraverso una serie di misurazioni successive del segnale, ognuno dei quali aumenta la probabilità di una corrispondenza accurata.

Ciò viene fatto regolando la frequenza e la fase dell'impulso di riferimento in modo che interferisca in modo distruttivo con il segnale quando vengono combinati al divisore di fascio, annullando completamente il segnale in modo che non possano essere rilevati fotoni. In questo schema, il rumore di sparo non è un fattore:la cancellazione totale non ha incertezza.

Così, controintuitivamente, una misurazione perfettamente accurata risulta in nessun fotone che raggiunge il rivelatore. Se l'impulso di riferimento ha una frequenza errata, un fotone può raggiungere il rivelatore. Il ricevitore utilizza il tempo di rilevamento di quel fotone per prevedere la frequenza del segnale più probabile e regola di conseguenza la frequenza dell'impulso di riferimento. Se quella previsione è ancora errata, il tempo di rilevamento del fotone successivo si traduce in una previsione più accurata basata su entrambi i tempi di rilevamento del fotone, e così via.

"Una volta che il segnale interagisce con il raggio di riferimento, la probabilità di rilevare un fotone varia nel tempo, "Burenkov ha detto, "e di conseguenza i tempi di rilevamento dei fotoni contengono informazioni sullo stato di input. Usiamo tali informazioni per massimizzare la possibilità di indovinare correttamente dopo il primo rilevamento dei fotoni.

"Il nostro protocollo di comunicazione è progettato per fornire diversi profili temporali per diverse combinazioni del segnale e della luce di riferimento. Quindi il tempo di rilevamento può essere utilizzato per distinguere tra gli stati di ingresso con una certa sicurezza. La certezza può essere piuttosto bassa all'inizio, ma è migliorato durante la misurazione. Vogliamo portare l'impulso di riferimento allo stato giusto dopo il primo rilevamento di fotoni perché il segnale contiene solo pochi fotoni, e più a lungo misuriamo il segnale con il riferimento corretto, migliore è la nostra fiducia nel risultato".

Polyakov ha discusso le possibili applicazioni. "La futura crescita esponenziale di Internet richiederà un cambio di paradigma nella tecnologia alla base delle comunicazioni, " ha detto. "La misurazione quantistica potrebbe diventare questa nuova tecnologia. Abbiamo dimostrato tassi di errore record bassi con un nuovo ricevitore quantistico abbinato al protocollo di codifica ottimale. Il nostro approccio potrebbe ridurre significativamente l'energia per le telecomunicazioni".