Gli scienziati dell'Università Heriot-Watt di Edimburgo, in Scozia, hanno trovato un nuovo modo potente per programmare circuiti ottici fondamentali per la fornitura di tecnologie future come reti di comunicazione inattaccabili e computer quantistici ultraveloci.
"La luce può trasportare molte informazioni e i circuiti ottici che calcolano con la luce, anziché con l'elettricità, sono visti come il prossimo grande passo avanti nella tecnologia informatica", spiega il professor Mehul Malik, fisico sperimentale e professore di fisica alla Heriot-Watt's School. di Ingegneria e Scienze Fisiche.
"Ma man mano che i circuiti ottici diventano più grandi e complessi, sono più difficili da controllare e realizzare, e questo può influire sulle loro prestazioni. La nostra ricerca mostra un modo alternativo e più versatile di progettare i circuiti ottici, utilizzando un processo che avviene naturalmente in natura."
Il professor Malik e il suo team hanno condotto la loro ricerca utilizzando fibre ottiche commerciali ampiamente utilizzate in tutto il mondo per trasportare Internet nelle nostre case e nelle nostre aziende. Queste fibre sono più sottili della larghezza di un capello umano e utilizzano la luce per trasportare dati.
Sfruttando il comportamento di diffusione naturale della luce all'interno di una fibra ottica, hanno scoperto di poter programmare i circuiti ottici all'interno della fibra in modi estremamente precisi.
La ricerca è stata pubblicata oggi sulla rivista Nature Physics .
"Quando la luce entra in una fibra ottica, viene diffusa e mescolata in modi complessi", spiega il professor Malik. "Imparando questo processo complesso e modellando con precisione la luce che entra nella fibra ottica, abbiamo trovato un modo per progettare attentamente un circuito per la luce all'interno di questo disordine."
I circuiti ottici sono fondamentali per lo sviluppo delle future tecnologie quantistiche, che sono progettate a livello microscopico lavorando con singoli atomi o fotoni, particelle di luce. Queste tecnologie includono potenti computer quantistici con un'immensa potenza di elaborazione e reti di comunicazione quantistica che non possono essere violate.
"I circuiti ottici sono necessari alla fine delle reti di comunicazione quantistica, ad esempio, in modo che le informazioni possano essere misurate dopo aver percorso lunghe distanze", spiega il professor Malik. "Sono anche una parte fondamentale di un computer quantistico, dove vengono utilizzati per eseguire calcoli complessi con particelle di luce."
Si prevede che i computer quantistici consentiranno grandi progressi in settori quali lo sviluppo di farmaci, la previsione del clima e l’esplorazione dello spazio. L'apprendimento automatico, ovvero l'intelligenza artificiale, è un'altra area in cui i circuiti ottici vengono utilizzati per elaborare grandi volumi di dati molto rapidamente.
Il professor Malik ha affermato che il potere della luce risiede nelle sue molteplici dimensioni.
"Possiamo codificare molte informazioni su una singola particella di luce", ha spiegato. "Sulla sua struttura spaziale, sulla sua struttura temporale, sul suo colore. E se riesci a calcolare con tutte queste proprietà contemporaneamente, ciò sblocca un'enorme quantità di potenza di elaborazione."
I ricercatori hanno anche mostrato come i loro circuiti ottici programmabili possano essere utilizzati per manipolare l’entanglement quantistico, un fenomeno in cui due o più particelle quantistiche, come i fotoni di luce, rimangono connesse anche quando sono separate da grandi distanze. L'entanglement svolge un ruolo importante in molte tecnologie quantistiche, ad esempio corregge gli errori all'interno di un computer quantistico e consente i tipi più sicuri di crittografia quantistica.
Il professor Malik e il suo gruppo di ricerca nel Beyond Binary Quantum Information Lab dell'Università Heriot-Watt hanno condotto la ricerca con accademici partner di istituzioni tra cui l'Università di Lund in Svezia, l'Università La Sapienza di Roma in Italia e l'Università di Twente nei Paesi Bassi.
Ulteriori informazioni: Progettazione inversa di circuiti ottici quantistici ad alta dimensionalità in un mezzo complesso, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02319-6. www.nature.com/articles/s41567-023-02319-6
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito dall'Università Heriot-Watt
