Credito:Pixabay/CC0 di dominio pubblico
Sebbene i computer quantistici rappresentino una rivoluzione nel calcolo, non possono comunicare tra loro come possono fare i normali computer, su Internet. Se i computer quantistici potessero essere collegati attraverso una rete quantistica, potrebbero facilitare una comunicazione perfettamente sicura tra più di due parti o combinare la potenza di calcolo per risolvere problemi molto più difficili di quanto un computer quantistico potrebbe fare da solo.
In una sessione su invito all'incontro di marzo dell'American Physical Society, due fisici del Chicago Quantum Exchange hanno adottato approcci diversi per affrontare un ostacolo centrale all'implementazione di reti quantistiche a terra su larga scala:la distanza tra i nodi è limitata dalla distanza di un segnale quantistico può viaggiare attraverso la fibra ottica.
Una soluzione per amplificare e prevenire la perdita di dati
Liang Jiang, professore all'Università di Chicago, si è concentrato sulla soluzione più ampiamente perseguita:un ripetitore quantistico. I ripetitori quantistici verrebbero posizionati tra i nodi di una rete per rigenerare il segnale quantistico in modo che possa viaggiare per distanze maggiori. Nessuno ha ancora dimostrato un ripetitore quantistico di successo, sebbene "ci siano progressi significativi in questa direzione", secondo Jiang.
Oltre a rigenerare il segnale, i ripetitori quantistici potrebbero anche prevenire la perdita di dati su lunghe distanze attraverso la correzione degli errori. I codici di correzione degli errori sono comuni nelle reti classiche, come Bluetooth e WiFi, dove controllano gli errori che si verificano naturalmente nei dati mentre un segnale li trasporta da un dispositivo all'altro.
Ma i sistemi quantistici sono estremamente soggetti a errori a causa della natura sensibile dei loro stati quantistici, quindi la correzione degli errori è un'area di studio ampia e importante nel campo della tecnologia quantistica.
"Ci sono due domande importanti da porre, dal punto di vista teorico", ha detto Jiang. "In primo luogo, qual è la quantità massima di informazioni quantistiche che può essere trasmessa su un canale in fibra rumoroso? In secondo luogo, supponiamo di conoscere quel limite. Possiamo raggiungerlo con una buona progettazione del codice quantistico di correzione degli errori?"
Oltre alle strategie per la correzione dell'errore quantistico nei ripetitori quantistici, nonché alle loro efficienze previste, Jiang ha condiviso un'altra applicazione delle reti quantistiche:i centri di dati quantistici (QDC), dove gli utenti su una rete quantistica possono accedere a un database classico per scopi di informatica. Il dispositivo necessario per recuperare i dati classici da un database come bit quantistici, chiamato QRAM (Quantum Random Access Memory), sarebbe probabilmente estremamente costoso, ma Jiang vede i QDC come una soluzione.
"Potremmo voler utilizzare la QRAM come server quantistico, connettendoci agli utenti tramite una rete quantistica", ha affermato Jiang. "Tutti i singoli utenti possono quindi interrogare il database tramite la rete quantistica senza dover disporre di una QRAM dalla loro parte. Ciò potrebbe condividere il costo di un dispositivo così costoso".
Portare le reti quantistiche nell'aria e oltre
Per Paul Kwiat, Bardeen Professor of Physics presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign, una soluzione al problema della perdita di segnale in fibra ottica potrebbe essere quella di portare la rete quantistica da terra e in aria, tramite droni o addirittura nello spazio, con i satelliti.
"Al momento abbiamo praticamente solo reti in fibra locale, con pochissime eccezioni", ha affermato Kwiat. "E ho questa visione di ciò in cui vorremmo trasferirci, una situazione molto più eterogenea, in cui abbiamo connessioni tra tutti i tipi di piattaforme... utilizzando satelliti, connettendoci a veicoli aerei, droni, camion o barche". Ha notato che la perdita di segnale è molto più lenta attraverso lo spazio libero rispetto alle fibre ottiche, il che significa che un segnale quantistico può essere trasmesso a una distanza maggiore.
Ci sono molti vantaggi in una tale rete quantistica "mobile", in cui i nodi sono facili da riposizionare. Alcuni sono scientifici, come condurre il rilevamento quantistico su larga scala o studiare i fenomeni quantistici in diversi frame inerziali per testare la relazione tra meccanica quantistica e relatività. Alcuni sono più pratici:utilizzare i veicoli aerei come nodi per la comunicazione quantistica in cui le connessioni in fibra non sono un'opzione, come sulle navi militari sull'oceano.
Una rete quantistica tra satelliti nello spazio consentirebbe ancora più test della meccanica quantistica fondamentale, con distanze e velocità maggiori di quelle possibili sulla terra e su regioni con effetti gravitazionali mutevoli.
L'anno scorso, la NASA ha contribuito a finanziare un progetto guidato dagli Stati Uniti chiamato Space Entanglement and Annealing Quantum Experiment (SEAQUE), che testerà le tecnologie di comunicazione quantistica in orbita. Sarà il primo carico utile di scienza dell'informazione quantistica su un modulo di una stazione spaziale commerciale:Nanoracks Bishop Airlock, che è collegato alla Stazione Spaziale Internazionale. Sarà anche la prima "fonte di guida d'onda ottica integrata" volata, che è più efficiente di precedenti esperimenti quantistici simili, poiché non ci sono pezzi in movimento che richiedono un riallineamento regolare. Il lancio di SEAQUE è attualmente previsto per la primavera del 2023.
Il gruppo di Kwiat, a capo del progetto, è responsabile del carico utile ottico e della scheda di controllo per SEAQUE; altri elementi vengono forniti da istituzioni negli Stati Uniti, Canada e Singapore.
"Sono entusiasta perché è un esperimento quantistico trinazionale nello spazio", ha detto Kwiat. "È stato molto divertente". + Esplora ulteriormente
