La coerenza quantistica è un ingrediente chiave di molti test e applicazioni fondamentali nella tecnologia quantistica, compresa la comunicazione quantistica, immagini, informatica, rilevamento e metrologia. Però, il trasferimento della coerenza quantistica nello spazio libero è stato finora limitato ai canali in linea di vista diretta, poiché la turbolenza atmosferica e la dispersione degradano gravemente la qualità della coerenza.

In un nuovo articolo pubblicato su Luce:scienza e applicazioni , i ricercatori dell'Università di Waterloo hanno dimostrato con successo il trasferimento e il recupero della coerenza quantistica utilizzando per la prima volta fotoni sparsi nello spazio libero. Ciò consente nuove opportunità di ricerca e applicazioni in campi che vanno dalla comunicazione quantistica all'imaging e oltre.

"La capacità di trasferire la coerenza quantistica tramite fotoni dispersi significa che ora puoi fare molte cose che in precedenza richiedevano canali nello spazio libero con linea di vista diretta, "ha detto Shihan Sajeed, autore principale dell'articolo e borsista post-dottorato presso l'Institute for Quantum Computing (IQC) e presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Waterloo in Ontario, Canada.

Normalmente, se provi a inviare e ricevere fotoni attraverso l'aria (spazio libero) per la comunicazione quantistica, o qualsiasi altro protocollo con codifica quantistica, è necessaria una linea di vista diretta tra trasmettitore e ricevitore. Qualsiasi oggetto nel percorso ottico, grande come un muro o piccolo come una molecola, rifletterà alcuni fotoni e ne disperderà altri, a seconda della riflettività della superficie. Qualsiasi informazione quantistica codificata nei fotoni viene tipicamente persa nei fotoni sparsi, interrompendo il canale quantistico.

Insieme a Thomas Jennewein, ricercatore principale del laboratorio di fotonica quantistica dell'IQC, Sajeed ha trovato un modo per codificare la coerenza quantistica in coppie di impulsi di fotoni inviati uno dopo l'altro, in modo che mantengano la loro coerenza anche dopo la dispersione da una superficie diffusa.

I ricercatori hanno emesso un treno di coppie di impulsi con una specifica coerenza di fase che potrebbe essere misurata dai fotoni sparsi utilizzando l'interferenza quantistica. Hanno anche usato un sensore a matrice di rilevatori di fotoni singoli che, oltre a risolvere le distorsioni del fronte d'onda causate dalla turbolenza atmosferica, ha agito come un imager, consentendo loro di osservare simultaneamente l'interferenza di un singolo fotone e l'imaging. Hanno posizionato il rivelatore dove avrebbe assorbito solo i fotoni sparsi dagli impulsi laser, e osservato una visibilità di oltre il 90%, il che significa che i fotoni sparsi hanno mantenuto la loro coerenza quantistica anche dopo essersi schiantati contro un oggetto.

La loro nuova tecnica richiedeva hardware personalizzato per utilizzare la luce coerente che stavano generando. Il singolo array di rivelatori di fotoni potrebbe rilevare un miliardo di fotoni al secondo, con una precisione di 100 picosecondi. Solo un'elettronica all'avanguardia per la marcatura temporale potrebbe gestire le esigenze di questo flusso di luce, e il team ha dovuto progettare la propria scheda adattatore elettronica per comunicare tra i rilevatori e il computer che avrebbe elaborato i dati.

"La nostra tecnica può aiutare a visualizzare un oggetto con segnali quantistici o trasmettere un messaggio quantistico in un ambiente rumoroso, " dice Sajeed. "I fotoni sparsi che ritornano al nostro sensore avranno una certa coerenza, considerando che il rumore nell'ambiente non lo farà, e quindi possiamo rifiutare tutto tranne i fotoni che abbiamo originariamente inviato."

Sajeed prevede che le loro scoperte stimoleranno nuove ricerche e nuove applicazioni nel rilevamento quantistico, comunicazione, e imaging in ambienti di spazio libero. Il duo ha dimostrato la comunicazione quantistica e l'imaging nel loro articolo, ma Sajeed ha affermato che sono necessarie ulteriori ricerche per scoprire come le loro tecniche potrebbero essere utilizzate in varie applicazioni pratiche.

"Riteniamo che questo possa essere utilizzato in LIDAR (Light Detection and Ranging) potenziato quantisticamente, rilevamento quantistico, imaging senza linea di vista, e molte altre aree:le possibilità sono infinite, " disse Sajeed.