Un team dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, La Stanford University e la Purdue University hanno sviluppato e dimostrato un romanzo, rete locale quantistica completamente funzionale, o QLAN, per consentire aggiustamenti in tempo reale alle informazioni condivise con sistemi geograficamente isolati presso l'ORNL utilizzando fotoni entangled che passano attraverso la fibra ottica.

Questa rete esemplifica il modo in cui gli esperti potrebbero connettere di routine computer quantistici e sensori su scala pratica, realizzando così il pieno potenziale di queste tecnologie di prossima generazione sulla strada verso l'attesissima Internet quantistica. I risultati della squadra, che sono pubblicati in PRX Quantum , segnano il culmine di anni di ricerche correlate.

Le reti locali che collegano i dispositivi di elaborazione classici non sono una novità, e le QLAN sono state testate con successo in studi da tavolo. La distribuzione delle chiavi quantistiche è stata finora l'esempio più comune di comunicazioni quantistiche nel campo, ma questa procedura è limitata perché stabilisce solo la sicurezza, non impigliamento, tra i siti.

"Stiamo cercando di gettare le basi su cui costruire un'internet quantistica comprendendo le funzioni critiche, come la larghezza di banda di distribuzione dell'entanglement, " ha detto Nicholas Peters, il capo della sezione Scienza dell'Informazione Quantistica presso l'ORNL. "Il nostro obiettivo è sviluppare gli strumenti fondamentali e gli elementi costitutivi di cui abbiamo bisogno per dimostrare le applicazioni di rete quantistica in modo che possano essere implementate in reti reali per realizzare vantaggi quantistici".

Quando due fotoni, particelle di luce, sono accoppiati insieme, o impigliato, mostrano correlazioni quantistiche più forti di quelle possibili con qualsiasi metodo classico, indipendentemente dalla distanza fisica tra loro. Queste interazioni consentono protocolli di comunicazione quantistica controintuitivi che possono essere raggiunti solo utilizzando risorse quantistiche.

Uno di questi protocolli, preparazione dello stato a distanza, sfrutta l'entanglement e le comunicazioni classiche per codificare le informazioni misurando metà di una coppia di fotoni entangled e convertendo efficacemente l'altra metà nello stato quantistico preferito. Peters ha guidato la prima realizzazione sperimentale generale della preparazione dello stato remoto nel 2005 mentre conseguiva il dottorato in fisica. Il team ha applicato questa tecnica su tutti i collegamenti accoppiati nella QLAN, un'impresa mai realizzata in precedenza su una rete, e ha dimostrato la scalabilità delle comunicazioni quantistiche basate sull'entanglement.

Questo approccio ha permesso al team di collegare insieme tre nodi remoti, conosciuto come "Alice, ""Bob" e "Charlie"—nomi comunemente usati per personaggi immaginari che possono comunicare attraverso trasmissioni quantistiche—situati in tre diversi laboratori di ricerca in tre edifici separati nel campus dell'ORNL. Dal laboratorio che contiene Alice e la sorgente di fotoni, i fotoni hanno distribuito l'entanglement a Bob e Charlie attraverso l'infrastruttura in fibra ottica esistente di ORNL.

Le reti quantistiche sono incompatibili con gli amplificatori e altre risorse classiche di amplificazione del segnale, che interferiscono con le correlazioni quantistiche condivise dai fotoni entangled. Tenendo presente questo potenziale inconveniente, il team ha incorporato il provisioning flessibile della larghezza di banda della rete, che utilizza switch selettivi per la lunghezza d'onda per allocare e riallocare le risorse quantistiche agli utenti della rete senza disconnettere la QLAN. Questa tecnica fornisce un tipo di tolleranza ai guasti integrata attraverso la quale gli operatori di rete possono rispondere a un evento imprevisto, come una fibra rotta, reindirizzando il traffico ad altre aree senza interrompere la velocità della rete o compromettere i protocolli di sicurezza.

"Poiché la domanda in una rete potrebbe cambiare nel tempo o con configurazioni diverse, non vuoi avere un sistema con canali a lunghezza d'onda fissa che assegna sempre a determinati utenti le stesse porzioni, " disse Joseph Lukens, un Wigner Fellow e ricercatore presso l'ORNL, nonché esperto di ingegneria elettrica del team. "Anziché, vuoi la flessibilità di fornire più o meno larghezza di banda agli utenti sulla rete in base alle loro esigenze."

Rispetto alle loro controparti classiche tipiche, le reti quantistiche hanno bisogno che i tempi dell'attività di ciascun nodo siano molto più sincronizzati. Per soddisfare questo requisito, i ricercatori si sono affidati al GPS, la stessa tecnologia versatile ed economica che utilizza i dati satellitari per fornire i servizi di navigazione di tutti i giorni. Utilizzando un'antenna GPS situata nel laboratorio di Bob, il team ha condiviso il segnale con ciascun nodo per garantire che gli orologi basati su GPS fossero sincronizzati entro pochi nanosecondi e che non si allontanassero durante l'esperimento.

Avendo ottenuto timestamp precisi per l'arrivo dei fotoni entangled catturati dai rilevatori di fotoni, il team ha inviato queste misurazioni dalla QLAN a una rete classica, dove hanno raccolto dati di alta qualità da tutti e tre i laboratori.

"Questa parte del progetto è diventata un impegnativo esperimento di rete classico con tolleranze molto strette, "Ha detto Lukens. "Il tempismo su una rete classica raramente richiede quel livello di precisione o tanta attenzione ai dettagli per quanto riguarda la codifica e la sincronizzazione tra i diversi laboratori".

Senza il segnale GPS, la dimostrazione QLAN avrebbe generato dati di qualità inferiore e fedeltà ridotta, una metrica matematica legata alle prestazioni della rete quantistica che misura la distanza tra gli stati quantistici.

Il team prevede che piccoli aggiornamenti alla QLAN, inclusa l'aggiunta di più nodi e l'annidamento di interruttori selettivi per la lunghezza d'onda, formerebbe versioni quantistiche di reti interconnesse, la definizione letterale di Internet.

"Internet è una grande rete composta da molte reti più piccole, " ha detto Muneer Alshowkan, un ricercatore associato post-dottorato presso l'ORNL che ha apportato al progetto preziose competenze informatiche. "Il prossimo grande passo verso lo sviluppo di un'internet quantistica è connettere la QLAN ad altre reti quantistiche".

Inoltre, i risultati del team potrebbero essere applicati per migliorare altre tecniche di rilevamento, come quelli usati per cercare prove di materia oscura sfuggente, la sostanza invisibile ritenuta la principale fonte di materia dell'universo.

"Immagina di costruire reti di sensori quantistici con la capacità di vedere gli effetti fondamentali della fisica ad alta energia, " ha detto Peters. "Sviluppando questa tecnologia, miriamo ad abbassare la sensibilità necessaria per misurare quei fenomeni per aiutare nella ricerca in corso della materia oscura e altri sforzi per comprendere meglio l'universo".

I ricercatori stanno già pianificando il loro prossimo esperimento, che si concentrerà sull'implementazione di metodi di sincronizzazione temporale ancora più avanzati per ridurre il numero di incidenti, le fonti di rumore nella rete, e migliorare ulteriormente la qualità del servizio della QLAN.