La crittografia dei dati in modo da garantire una comunicazione sicura è una sfida in continua crescita perché i componenti cruciali dei sistemi di crittografia odierni non possono resistere ai futuri computer quantistici. I ricercatori di tutto il mondo stanno quindi lavorando a tecnologie per nuovi metodi di crittografia basati anche su effetti quantistici. Il fenomeno del cosiddetto entanglement quantistico gioca qui un ruolo particolarmente importante. Ciò significa che in una rete quantistica, i qubit stazionari della rete sono intrecciati con il canale di comunicazione, che di solito consiste di fotoni (particelle di luce). Per la prima volta, i fisici dell'Università di Bonn sono stati ora in grado di dimostrare l'entanglement quantistico tra un qubit stazionario, cioè un sistema quantistico a due stati, e un fotone con accoppiamento diretto a una fibra ottica. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista npj Informazioni quantistiche .

I sistemi quantistici provengono dal mondo delle particelle e delle strutture più piccole e potrebbero essere rilevanti per le tecnologie future. Se diversi vettori di informazioni quantistiche (nodi quantistici) sono interconnessi da canali quantistici, i ricercatori parlano di reti quantistiche. Dal 2009, gli scienziati dell'Università di Bonn hanno lavorato alla realizzazione di un nodo di rete quantistica in cui un singolo ione come qubit di memoria è accoppiato a un risonatore ottico come interfaccia luce-materia.

Però, per la distribuzione di informazioni quantistiche in una rete, i qubit stazionari della rete devono essere intrecciati con il canale di comunicazione. La ragione fisica è che uno stato quantistico non può essere copiato e trasmesso in modo classico. I fotoni sono tipicamente usati come canale di comunicazione, che sono difficili da memorizzare ma consentono un rapido trasferimento delle informazioni. "L'implementazione di interfacce efficienti tra fotoni e qubit stazionari è quindi cruciale per la velocità di trasferimento delle informazioni e la scalabilità di una rete quantistica, " spiega il primo autore Pascal Kobel, un dottorato di ricerca studente nel gruppo di ricerca Fisica Quantistica Sperimentale presso l'Università di Bonn.

Implementazione di un'interfaccia per la materia leggera

Nella loro configurazione sperimentale, gli scienziati hanno implementato un'interfaccia speciale tra luce e materia. A tal fine, utilizzavano un risonatore ottico costituito da due specchi contrapposti realizzati sulle facce terminali di due fibre ottiche. Per gli specchi concavi, hanno asportato parte della fibra ottica con un impulso laser e successivamente hanno rivestito le estremità della fibra ottica con un rivestimento riflettente. Il diametro della fibra di 150 micrometri era all'incirca dell'ordine di un capello (circa 60 micrometri).

"La costruzione e la combinazione di un tale risonatore con un singolo ione è sperimentalmente impegnativa. Le fibre e gli ioni devono essere posizionati con una precisione relativa di circa un micrometro l'uno rispetto all'altro, ", afferma il coautore Moritz Breyer, anche fisico nel gruppo di ricerca guidato dal Prof. Dr. Michael Köhl presso l'Università di Bonn. Però, il piccolo volume del risonatore aumenta l'interazione luce-materia, che consente larghezze di banda elevate per la distribuzione di informazioni quantistiche in una rete. Un altro vantaggio è che il risonatore in fibra porta al cosiddetto accoppiamento intrinseco dei fotoni alle fibre ottiche. Ciò semplifica notevolmente la loro distribuzione in rete.

Con la loro configurazione sperimentale, gli scienziati sono riusciti per la prima volta a dimostrare l'entanglement quantistico tra un qubit stazionario e un fotone di un risonatore in fibra ottica. Hanno osservato che anche a una distanza di un metro e mezzo, il singolo ione e il fotone condividevano uno stato quantistico entangled comune. "Il nostro sistema presentato è adatto come nodo nelle reti quantistiche, " sottolinea il capo dello studio Prof. Dr. Michael Köhl, un membro del Cluster of Excellence Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) presso le Università di Bonn, Colonia e Aquisgrana e Forschungszentrum Jülich e nell'area di ricerca transdisciplinare "Gli elementi costitutivi della materia e le interazioni fondamentali". La rete riunisce ricercatori di diverse discipline per lavorare insieme su questioni rilevanti per il futuro presso l'Università di eccellenza di Bonn.

I risultati dello studio possono essere rilevanti per il cosiddetto calcolo quantistico distribuito o per una comunicazione dimostrabilmente sicura. Negli studi futuri, i ricercatori hanno in programma di sviluppare ulteriormente il loro sistema da, Per esempio, migliorare la stabilità dell'interfaccia luce-materia e utilizzare il setup per la distribuzione delle chiavi quantistiche.