Questa nuova rete quantistica fornirà una sicurezza informatica ultrasicura e quantistica e alla fine sarà dedicata allo scambio di qubit, agli elementi unitari dell’informazione quantistica e al linguaggio dei computer quantistici. Fornirà, infatti, una rete attraverso la quale diversi computer quantistici potrebbero connettersi come sono collegati i processori classici nel cloud computing.

Una scelta anticipata per la futura infrastruttura dell’Internet quantistica è, infatti, la rete di telecomunicazioni esistente, che fornisce un canale quasi onnipresente su cui la luce può percorrere distanze molto grandi con assorbimento limitato. A causa del basso assorbimento e dell'elevata velocità, la luce è un ottimo candidato come vettore di informazioni, sia esso classico o quantistico.

La luce laser brillante può essere facilmente utilizzata per trasferire informazioni classiche su Internet, mentre l'attenuazione della luce nelle fibre ottiche è compensata da amplificatori di luce posizionati ogni dieci km all'interno di queste fibre. Tuttavia, il trasferimento di informazioni quantistiche (la comunicazione quantistica) richiede mezzi molto più sofisticati.

I bit quantistici sono ancora codificati nella luce, in particolare nei singoli fotoni, ma questa codifica quantistica non può essere amplificata perché le regole della meccanica quantistica lo impediscono; se si tenta di amplificare la codifica quantistica si danneggia gravemente l'informazione contenuta nei fotoni. Pertanto, gli amplificatori utilizzati nelle reti classiche non possono essere utilizzati per i bit quantistici. Ciò significa che è necessaria una tecnologia radicalmente nuova per costruire una versione quantistica di Internet:il ripetitore quantistico.

Poiché gli amplificatori di luce garantiscono la connettività tra luoghi distanti, i ripetitori quantistici consentiranno la comunicazione a lunga distanza distribuendo l'entanglement tra di loro.

L'entanglement è una proprietà esclusivamente quantistica di due oggetti che mostrano correlazioni che non possono essere riprodotte con mezzi classici, ed è uno dei componenti primari della comunicazione quantistica. Può essere utilizzato per trasferire informazioni quantistiche, ad esempio, attraverso il teletrasporto quantistico tra due nodi di un sistema ripetitore quantistico.

Un modo per stabilire un entanglement remoto tra due nodi è attraverso la trasmissione diretta:è possibile generare una coppia di fotoni intrecciati, con uno che rimane fermo mentre l'altro viaggia verso l'altra posizione. Ciò significa che quest'ultima deve essere compatibile con la trasmissione in fibra ottica, mentre la prima deve essere immagazzinata in una memoria quantistica, portando all'entanglement tra luce e materia.

Ora, è necessario un set di ripetitori quantistici per accoppiare diversi di questi nodi per ottenere un entanglement a lunga distanza tra le memorie quantistiche. Un'architettura promettente per questi nodi ripetitori quantistici si basa sull'accoppiamento della generazione spontanea di coppie di fotoni, un processo noto come conversione spontanea verso il basso (SPDC), con una memoria quantistica esterna.

Questo è l’approccio adottato dai ricercatori dell’ICFO. In un nuovo studio apparso su arXiv server di prestampa, Jelena Rakonjac, Samuele Grandi, Soren Wengerowsky, Dario Lago-Rivera e Felicien Appas, guidati dal Prof. ICREA dell'ICFO Hugues de Riedmatten dimostrano la trasmissione dell'entanglement della luce e della materia su decine di chilometri di fibra ottica.

Nel loro esperimento hanno generato coppie di fotoni, di cui uno è emesso alla lunghezza d'onda delle telecomunicazioni di 1436 nm, mentre l'altro è emesso a 606 nm, compatibile con le memorie quantistiche a stato solido utilizzate, realizzate in speciali cristalli drogati con atomi di terre rare.

Si sono poi collegati alla rete metropolitana di Barcellona, ​​collegando il loro sistema a due fibre che andavano dall'ICFO, a Castelldefels, al Centro di Telecomunicazioni della Catalunya (CTTI), a Hospitalet de Llobregat. Collegando entrambi i centri, hanno creato un anello di 50 km, inviando i fotoni fino al centro di Barcellona e di nuovo all'ICFO.

Con ciò, hanno dimostrato che dopo un viaggio completo di andata e ritorno di 50 km, la luce generata in laboratorio mantiene le sue caratteristiche quantistiche senza sostanziali diminuzioni, dimostrando che i qubit fotonici non manifestano decoerenza quando percorrono decine di km in un cavo in fibra ottica, anche in un'area metropolitana. In breve, la luce quantistica ha lasciato il laboratorio e alla fine è stata rilevata alla sua origine.

Tuttavia, la comunicazione quantistica richiede l’utilizzo e la verifica dell’entanglement tra posizioni remote, dove i fotoni intrecciati vengono rilevati in posizioni ben separate nello spazio e nel tempo. Muovendosi in questa direzione, i ricercatori hanno esteso la loro rete includendo un nuovo nodo, questa volta situato presso la fondazione i2CAT, un edificio a Barcellona, ​​a circa 44 km da ICFO attraverso la rete locale in fibra ottica e 17 km in linea retta.

Lì, hanno installato un rilevatore di telecomunicazioni per misurare l'arrivo dei fotoni che passavano attraverso una delle fibre mentre l'altra fibra era collegata a un trasduttore, che trasformava il segnale elettrico del rilevatore in luce e lo inviava attraverso la linea in fibra ottica. /P>

In questo modo, l'informazione potrebbe essere trasmessa all'ICFO con elevata precisione, anche se il fotone è stato rilevato a circa 17 km di distanza. Inoltre, hanno utilizzato gli stessi trasduttori per inviare segnali di sincronizzazione tra i due nodi di questa rete di base, dove la generazione e il rilevamento delle correlazioni quantistiche erano completamente separate tra due nodi indipendenti ma connessi.

L’esperimento ha convalidato il sistema utilizzato dai ricercatori per generare entanglement luce-materia e si è rivelato uno dei candidati pionieristici per la realizzazione di un nodo ripetitore quantistico, la tecnologia abilitante per la comunicazione quantistica a lunga distanza. Dimostrazioni di principio sono già state realizzate in laboratorio e il gruppo sta ora lavorando per migliorare le prestazioni sia della memoria che della sorgente.

Inoltre, i ricercatori hanno collaborato con Cellnex (Xarxa Roberta de Catalunya) e un nuovo laboratorio è disponibile presso la torre di Collserola nel contesto dei progetti QNetworks e EuroQCI Spagna per la realizzazione di uno stato entangled di memorie quantistiche remote.

La realizzazione di una dorsale a lunga distanza per la distribuzione dell'entanglement tra memorie quantistiche è anche uno degli obiettivi principali della Quantum Internet Alliance (QIA), il principale sforzo europeo nella realizzazione dell'internet quantistico di cui ICFO è uno dei principali partner. /P>

I risultati di questo studio, "vale a dire la trasmissione dell'entanglement della luce e della materia sulle fibre dispiegate in un'area metropolitana, sono il trampolino di lancio iniziale verso la realizzazione di un Internet quantistico a tutti gli effetti, con la nostra sorgente e il nodo quantistico di memoria al centro, " commenta Samuele Grandi, ricercatore dell'ICFO e co-primo autore dello studio.

Come conclude il Prof. ICREA dell'ICFO Hugues de Riedmatten, "L'entanglement della materia luminosa è una risorsa chiave per la comunicazione quantistica ed è stato dimostrato molte volte in laboratorio. Dimostrarlo nella rete in fibra installata è un primo passo verso la realizzazione di un banco di prova per tecnologie di ripetitori quantistici nell'area di Barcellona, ​​preparando il terreno per reti basate su fibra a lunga distanza."