Anche se la comunicazione quantistica è a prova di tocco, non è finora particolarmente efficiente. I ricercatori del Max Planck Institute of Quantum Optics vogliono cambiare questa situazione. Hanno sviluppato un metodo di rilevamento che può essere utilizzato per tracciare le trasmissioni quantistiche. Le informazioni quantistiche vengono inviate su lunghe distanze sotto forma di fotoni (cioè particelle di luce). Però, questi si perdono rapidamente. Scoprire dopo solo una distanza parziale se un tale fotone è ancora in viaggio verso la sua destinazione o è già stato perso, può ridurre significativamente lo sforzo richiesto per l'elaborazione delle informazioni. Ciò renderebbe molto più praticabili applicazioni come la crittografia dei trasferimenti di denaro.

La crittografia quantistica potrebbe presto diventare il metodo preferito per proteggere il traffico dati di agenzie governative o banche. Però, nel prossimo futuro, probabilmente non proteggerà il nostro traffico di posta elettronica da lettori non invitati. Lo scambio di qubit, la più piccola unità di informazione quantistica, è semplicemente troppo complesso. Uno dei problemi più grandi:le particelle di luce che trasportano i qubit su lunghe distanze e vengono facilmente deviate dal loro percorso nell'aria o assorbite dalle fibre di vetro, e improvvisamente, l'informazione quantistica è persa. Poiché la maggior parte dei fotoni viene persa in una trasmissione di circa 100 km, migliaia di fotoni dovrebbero essere trasmessi per trasmettere direttamente solo un singolo qubit su questa distanza. La trasmissione di informazioni quantistiche può quindi diventare un affare lungo, anche se la luce viaggia molto velocemente e può coprire la distanza da Monaco a Berlino (circa 600 km) in soli due millisecondi circa.

Il rivelatore non legge le informazioni quantistiche

Un team di Dominik Niemietz e Gerhard Rempe del Max Planck Institute of Quantum Optics ha ora sviluppato un protocollo fisico che può indicare se il qubit è già andato perso nelle stazioni intermedie della trasmissione quantistica. "Se questo è il caso, il trasmettitore può inviare nuovamente il qubit con un ritardo significativamente inferiore rispetto a quando la perdita viene rilevata solo all'estremità ricevente, "dice Dominik Niemietz, che ha sviluppato il rivelatore per qubit fotonici (come viene chiamato in gergo tecnico) come parte della sua tesi. "È essenziale che non distruggiamo il qubit. Quindi rileviamo solo il fotone del qubit e non lo misuriamo". In altre parole:il rivelatore rileva se il fotone è presente o meno, ma non legge le informazioni quantistiche in esso codificate. È come tracciare una spedizione online senza poter vedere all'interno del pacco. "Questo è fondamentale perché le leggi della fisica quantistica escludono la copia di un qubit da 1 a 1:questo è ciò su cui si basa la crittografia quantistica". La posta quantistica non può quindi essere aggiornata in una stazione intermedia, né da coloro che hanno installato il trasmettitore e il ricevitore, né da spie.

Due risonatori e un atomo consentono il rilevamento del qubit

Per rilevare un fotone che trasporta informazioni quantistiche senza leggere il messaggio stesso, i fisici lavorano con un atomo che intrappolano in due risonatori perpendicolari. I due risonatori sono costituiti ciascuno da due specchi in modo che l'atomo sia circondato da quattro specchi disposti a croce. Uno dei risonatori è progettato in modo tale che l'atomo riconosca la presenza del fotone con un tocco estremamente delicato:il risonatore si trova all'estremità di una fibra ottica attraverso la quale un fotone lo raggiunge, oppure no. Quando il fotone arriva lì, si riflette e cambia lo stato dell'atomo. Ciò che è importante qui è che le informazioni quantistiche non vengano influenzate da ciò, più o meno allo stesso modo in cui i consegnatori di pacchi lasciano messaggi se i destinatari non sono a casa e portano via di nuovo il pacco. Il fotone influenza lo stato dell'atomo. Nel processo, lo spin atomico è cambiato, simile a una trottola, la cui rotazione è invertita di 180 gradi da un momento all'altro. In contrasto, l'informazione quantistica è impacchettata nel piano di oscillazione - i fisici parlano di polarizzazione - del fotone.

Ma come possiamo dire se il fotone era lì e ha cambiato lo stato dell'atomo o no? Questo è il compito del secondo risonatore. Se nessun fotone arriva al rivelatore all'ora prevista, i fisici di Garching possono far brillare l'atomo irradiandolo con luce laser. Possono facilmente rilevare il bagliore tramite la seconda coppia di specchi e con un classico fotorivelatore. Se un fotone viene riflesso nell'altro risonatore, cambiando lo stato dell'atomo, questo non funziona, e l'atomo resta oscuro.

Da 14 chilometri, il rivelatore accelera la comunicazione quantistica

I ricercatori di Max Planck hanno dimostrato con calcoli modello che il rilevamento di fotoni che trasportano qubit rende la comunicazione quantistica più efficiente. Di conseguenza, il rivelatore che hanno usato per il loro esperimento accelererebbe la trasmissione di informazioni quantistiche a una distanza maggiore di 14 chilometri. "Un rilevatore di qubit fotonici può essere utile anche a distanze più brevi, "dice Pau Farrera, che faceva parte del gruppo di ricerca. Però, affinché ciò avvenga, il rilevamento dovrebbe funzionare in modo ancora più affidabile rispetto all'esperimento in corso. "Questo non è un problema fondamentale, ma solo tecnico, " spiega il fisico. L'efficienza del rivelatore attualmente soffre principalmente perché il risonatore riflette solo circa un terzo dei fotoni in arrivo. Solo nel caso di una riflessione un fotone lascia una traccia nell'atomo. "Tuttavia, possiamo aumentare questa efficienza fino a quasi il 100% migliorando la fabbricazione dei risonatori".

Un rivelatore che rilevi in ​​modo affidabile un qubit fotonico non solo sarebbe utile per tracciare le informazioni quantistiche durante la trasmissione, ma potrebbe anche confermare l'arrivo della posta quantistica a destinazione. Ciò è utile se le informazioni codificate nel fotone devono essere ulteriormente elaborate in modo complesso, ad esempio se deve essere trasferito ad atomi entangled. L'entanglement è un fenomeno della meccanica quantistica che può essere utilizzato per crittografare ed elaborare i dati. In questo processo, due particelle spazialmente ampiamente separate diventano un'unica entità quantistica. I cambiamenti in una particella portano quindi direttamente a cambiamenti nell'altra. "Creare entanglement è complesso, "dice Gerhard Rempe, Direttore dell'Istituto Max Planck di ottica quantistica. "Dovresti usarlo per elaborare un qubit solo se sei sicuro che questo qubit sia presente."

Dimostrare come il post tracking quantistico potrebbe essere utilizzato nell'elaborazione delle informazioni è un possibile obiettivo dei futuri esperimenti del gruppo di Gerhard Rempe:"Vorremmo utilizzare il rivelatore per la comunicazione quantistica tra il nostro Istituto a Garching e una località più lontana. Ad esempio, per passare dal nostro laboratorio all'applicazione pratica, " dice il direttore di Max Planck. "In questo modo, ci stiamo ancora una volta avvicinando un po' al nostro grande obiettivo a lungo termine, l'internet quantistica".