Un team di ricercatori di QuTech nei Paesi Bassi segnala la realizzazione della prima rete quantistica multi-nodo, collegamento di tre processori quantistici. Inoltre, hanno ottenuto una dimostrazione di principio dei principali protocolli di rete quantistica. Le loro scoperte segnano un'importante pietra miliare verso il futuro Internet quantistico e sono state ora pubblicate in Scienza .

Il potere di Internet è che consente a due computer qualsiasi sulla Terra di connettersi. Oggi, i ricercatori di molti laboratori in tutto il mondo stanno lavorando alle prime versioni di un Internet quantistico, una rete in grado di connettere due dispositivi quantistici qualsiasi, come computer quantistici o sensori, su grandi distanze. Considerando che Internet di oggi distribuisce informazioni in bit che possono essere 0 o 1, una futura Internet quantistica utilizzerà bit quantistici che possono essere 0 e 1 allo stesso tempo.

"Un Internet quantistico aprirà una serie di nuove applicazioni, dalla comunicazione inattaccabile e il cloud computing con la completa privacy dell'utente al cronometraggio ad alta precisione, "dice Matteo Pompili, dottorato di ricerca studente e membro del gruppo di ricerca. "E come con Internet 40 anni fa, probabilmente ci sono molte applicazioni che non possiamo prevedere in questo momento."

Verso una connettività ubiqua

I primi passi verso un'internet quantistica sono stati compiuti nell'ultimo decennio collegando due dispositivi quantistici che condividevano un collegamento fisico diretto. Però, essere in grado di trasmettere informazioni quantistiche attraverso nodi intermedi (analoghi ai router nell'internet classica) è essenziale per creare una rete quantistica scalabile. Inoltre, molte promettenti applicazioni Internet quantistiche si basano su bit quantistici entangled distribuiti tra più nodi. L'entanglement è un fenomeno osservato su scala quantistica, fondamentalmente collegando le particelle a piccole e anche a grandi distanze. Fornisce ai computer quantistici la loro enorme potenza di calcolo ed è la risorsa fondamentale per condividere le informazioni quantistiche sulla futura Internet quantistica. Realizzando la loro rete quantistica in laboratorio, un team di ricercatori di QuTech, una collaborazione tra la Delft University of Technology e TNO, è il primo ad aver collegato due processori quantistici attraverso un nodo intermedio e ad aver stabilito un entanglement condiviso tra più processori quantistici autonomi.

Gestire la rete quantistica

La rudimentale rete quantistica è costituita da tre nodi quantistici, ad una certa distanza all'interno dello stesso edificio. Per far funzionare questi nodi come una vera rete, i ricercatori hanno dovuto inventare una nuova architettura che consentisse il ridimensionamento oltre un singolo collegamento. Il nodo centrale (chiamato Bob) ha una connessione fisica con entrambi i nodi esterni (chiamati Alice e Charlie), consentendo di stabilire collegamenti di entanglement con ciascuno di questi nodi. Bob è dotato di un bit quantico aggiuntivo che può essere utilizzato come memoria, consentendo di memorizzare un collegamento quantistico generato in precedenza mentre viene stabilito un nuovo collegamento. Dopo aver stabilito i collegamenti quantistici Alice-Bob e Bob-Charlie, una serie di operazioni quantistiche su Bob converte questi collegamenti in un collegamento quantistico Alice-Charlie. In alternativa, eseguendo un diverso insieme di operazioni quantistiche su Bob, si stabilisce l'intreccio tra tutti e tre i nodi.

Pronto per l'uso successivo

Una caratteristica importante della rete è che annuncia il completamento con successo di questi protocolli (intrinsecamente probabilistici) con un segnale "flag". Tale annuncio è cruciale per la scalabilità, come in una futura Internet quantistica, molti di questi protocolli dovranno essere concatenati. "Una volta stabilito, siamo stati in grado di preservare gli stati entangled risultanti, proteggendoli dal rumore, "dice Sophie Hermans, un altro membro della squadra. "Significa che, in linea di principio, possiamo usare questi stati per la distribuzione delle chiavi quantistiche, un calcolo quantistico o qualsiasi altro protocollo quantistico successivo."

Dimostratore di Internet quantistico

Questa prima rete quantistica basata sull'entanglement fornisce ai ricercatori un banco di prova unico per lo sviluppo e il test dell'hardware Internet quantistico, software e protocolli. "La futura Internet quantistica sarà composta da innumerevoli dispositivi quantistici e nodi intermedi, "dice Ronald Hanson, che ha guidato il gruppo di ricerca. "I colleghi di QuTech stanno già esaminando la futura compatibilità con le infrastrutture di dati esistenti". A tempo debito, l'attuale approccio proof-of-principle sarà testato al di fuori del laboratorio sulla fibra di telecomunicazioni esistente, sul Quantum Internet Demonstrator di QuTech, di cui il completamento del primo collegamento metropolitano è previsto nel 2022.

Livelli di livello superiore

Nel laboratorio, i ricercatori si concentreranno sull'aggiunta di più bit quantistici alla loro rete a tre nodi e sull'aggiunta di livelli software e hardware di livello superiore. Pompili:"Una volta sviluppati tutti i livelli di controllo e interfaccia di alto livello per la gestione della rete, chiunque sarà in grado di scrivere ed eseguire un'applicazione di rete senza bisogno di capire come funzionano i laser ei criostati. Questo è l'obiettivo finale".