Pochi termini sono più onnipresenti nell'arena scientifica di questi tempi di "quantum".

Le tecnologie basate sulle notoriamente complicate leggi della meccanica quantistica promettono di abilitare computer molto più potenti dei supercomputer più veloci di oggi, comunicazioni sicure inattaccabili e capacità di rilevamento senza precedenti necessarie per ulteriori scoperte scientifiche.

Ma affinché queste tecnologie vedano la luce del giorno, i ricercatori devono sviluppare reti di comunicazione quantistiche efficienti che colleghino i dispositivi quantistici preservando al tempo stesso gli stati delicati delle particelle utilizzate per trasmettere le informazioni.

Un team di ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy, insieme ai colleghi della Purdue University, ha compiuto un passo importante verso questo obiettivo sfruttando la frequenza, o colore, di luce. Tali capacità potrebbero contribuire a reti quantistiche più pratiche e su larga scala esponenzialmente più potenti e sicure delle reti classiche che abbiamo oggi.

Nello specifico, il team sta sfruttando le proprietà della luce e i principi della meccanica quantistica per trasferire informazioni, rendendo la rete stessa un processore di informazioni quantistiche fotoniche. Questo approccio è promettente per diversi motivi.

Per i principianti, i fotoni viaggiano alla velocità della luce, consentendo alle informazioni di arrivare dal punto A al punto B il più rapidamente possibile. I fotoni generalmente non interagiscono tra loro o con l'ambiente circostante, assicurando che le informazioni non vengano confuse o danneggiate durante il trasporto. "La luce è davvero l'unica opzione praticabile per le comunicazioni quantistiche su lunghe distanze, " ha detto il capo progetto Joseph Lukens, un ricercatore ORNL, Wigner Fellow e vincitore del DOE Early Career Award che ha contribuito a dettagliare i risultati della squadra in Lettere di revisione fisica .

Il team ha utilizzato la luce per produrre qubit bin di frequenza, o singoli fotoni che risiedono in due frequenze diverse contemporaneamente, dimostrare per la prima volta operazioni di comunicazione completamente arbitrarie nella codifica di frequenza. Mentre la codifica di frequenza e l'entanglement compaiono in molti sistemi e sono naturalmente compatibili con le fibre ottiche, utilizzare questi fenomeni per eseguire operazioni di manipolazione ed elaborazione dei dati si è tradizionalmente dimostrato difficile. Tali operazioni, però, sono necessari per le funzioni di rete di base nelle comunicazioni quantistiche e, per estensione, la realizzazione di una vasta gamma di tecnologie quantistiche.

Utilizzando una tecnologia sviluppata presso l'ORNL nota come processore di frequenza quantistica, i ricercatori hanno dimostrato porte quantistiche ampiamente applicabili, o le operazioni logiche necessarie per eseguire i protocolli di comunicazione quantistica. In questi protocolli, i ricercatori devono essere in grado di manipolare i fotoni in un modo definito dall'utente, spesso in risposta a misurazioni eseguite su particelle altrove nella rete. Considerando che le operazioni tradizionali utilizzate nei computer classici e nelle tecnologie di comunicazione, come AND e OR, operare su zeri e uno digitali individualmente, le porte quantistiche operano su sovrapposizioni simultanee di zero e uno, mantenendo l'informazione quantistica protetta durante il suo passaggio, un fenomeno necessario per realizzare una vera rete quantistica.

Dimostrando che la loro configurazione potrebbe trasformare qualsiasi stato di qubit in uno stato di qubit diverso, il team ha dimostrato il trasferimento pratico delle informazioni. "Se puoi fare operazioni arbitrarie, puoi fare uno qualsiasi dei protocolli di comunicazione quantistica fondamentali come il routing basato sulla conversione di frequenza, " disse Lukens.

Il loro è uno dei tanti sistemi diversi, ma tra le più promettenti visti i risultati. Come esempio, il team ha dimostrato con successo una fedeltà fino al 98%, una misura quantitativa dell'accuratezza, utilizzando la propria configurazione personalizzata.

Sebbene la rete quantistica a bin di frequenza sia stata storicamente difficile da controllare, la cassetta degli attrezzi della squadra, Lukens ha detto, lo rende molto più controllabile. Non solo quello, è un sistema prodotto naturalmente che si adatta bene alle fibre ottiche esistenti. Infatti, il sistema è stato concepito utilizzando componenti di telecomunicazioni classici come i modulatori di fase. Questi fattori rendono la tecnologia meno costosa e più attraente per le industrie che desiderano applicarla. Per di più, questo effetto domino fa avanzare contemporaneamente sia le comunicazioni classiche che quelle quantistiche, avanzando così i metodi del team e possibilmente avvicinando le reti quantistiche su larga scala alla realtà.

Il loro prossimo esperimento riguarderà l'implementazione del loro sistema su un circuito integrato fotonico. "Ci sono molte applicazioni impreviste, " ha detto Lukens. "La codifica della frequenza è prodotta naturalmente da molti sistemi diversi, ed è molto adatto alla fibra ottica, quindi il potenziale spazio di applicazione dovrebbe essere ampio."