Prima dimostrazione di un router quantistico

Da tempo i fisici sfruttano la natura quantistica dei fotoni per trasmettere informazioni. E così facendo hanno scoperto quanto potente la comunicazione quantistica possa essere paragonata a quella classica.

Invece di inviare gli 0 e gli 1 del codice digitale, i comunicatori quantistici possono inviare informazioni in una sovrapposizione di stati che rappresentano sia 0 che 1 contemporaneamente. Inoltre, oggetti quantistici separati come una coppia di fotoni possono essere entangled, il che significa che condividono la stessa esistenza anche se sono ampiamente separati. Ciò porta a una forma di informazione quantistica che non ha una controparte classica.

Le informazioni quantistiche sono il fattore abilitante dietro una serie di tecnologie emergenti che molti fisici si aspettano abbiano un enorme impatto sulla società in futuro: potenti computer quantistici, crittografia quantistica (quasi) perfettamente sicura e Internet quantistico che distribuirà queste capacità in tutto il pianeta.

Ma c'è un problema con questa visione del futuro quantistico. Al momento, i fisici possono inviare solo fotoni che trasportano informazioni quantistiche sulla lunghezza di una singola fibra ottica.

Guidare i fotoni in un'altra fibra è un processo chiamato routing, che utilizza un segnale di controllo per determinare la destinazione e il percorso di un segnale dati. Un router classico legge semplicemente i dati nel segnale di controllo e instrada il segnale dati di conseguenza.

Ma nel mondo quantistico, anche la lettura di un segnale di controllo lo distrugge. Quindi è stato possibile instradare segnali di dati quantistici solo utilizzando segnali di controllo classici. E sebbene sia utile, non consente al processo di routing di sfruttare tutta la potenza delle informazioni quantistiche.

Oggi, Xiuying Chang e alcuni amici della Tsinghau University in Cina annunciano di aver costruito e testato il primo router quantistico per utilizzare un segnale di controllo quantistico per determinare il percorso di un segnale di dati quantistici. Noi... realizziamo la prima dimostrazione di principio di un vero router quantistico, dicono.

In questo nuovo dispositivo, l'informazione è codificata nella polarizzazione dei fotoni, orizzontale o verticale. Il gruppo cinese inizia creando un singolo fotone che si trova in una sovrapposizione di stati di polarizzazione sia orizzontale che verticale.

Quindi convertono questo singolo fotone in una coppia di fotoni a energia inferiore che sono entangled, un processo chiamato conversione parametrica verso il basso. Entrambi questi fotoni sono anche in una sovrapposizione di stati di polarizzazione.

Il router funziona utilizzando la polarizzazione di uno di questi fotoni come segnale di controllo per determinare il percorso dell'altro, il segnale dati. Il dispositivo è semplice, poco più di un insieme di mezzi specchi per guidare i fotoni e lastre d'onda per ruotare la loro polarizzazione.

Per prima cosa, seguiamo il percorso del fotone di dati che è determinato da un insieme di semispecchi che lo inviano in una direzione o nell'altra, a seconda della sua polarizzazione. Il trucco è impostare il router in modo che la polarizzazione del fotone di controllo influenzi questo percorso.

Il gruppo cinese lo fa ruotando la polarizzazione del fotone di controllo usando lastre di metà e quarto d'onda mentre il fotone di dati raggiunge i mezzi specchi. Il fenomeno quantistico dell'entanglement garantisce quindi che il fotone di dati venga instradato di conseguenza. In effetti, il router funziona come una porta logica.

Naturalmente, il successo dell'instradamento è probabilistico come tutti gli altri fenomeni quantistici. Chang e colleghi concludono il loro esperimento verificando le caratteristiche simili alla porta logica del router e assicurandosi che entrambi i fotoni siano ancora entangled dopo essere passati attraverso di esso.

Questo è un interessante passo avanti, ma il nuovo router ha limitazioni significative. Il più significativo di questi è che può gestire solo un bit quantistico o qubit alla volta. E poiché il processo di conversione parametrica verso il basso non può gestire più qubit, non può essere ridimensionato a più qubit.

Questo è uno svantaggio significativo. Significa che questo è un dispositivo di prova del principio, ma non uno che costituirà mai la base di una futura Internet quantistica.

In un certo senso, è un po' come i primi computer quantistici che si affidavano alla risonanza magnetica nucleare per manipolare gli spin delle molecole in una vasca di acetone. Questi eseguivano calcoli banali usando una manciata di qubit ma non potevano essere ridimensionati per fare qualcosa di interessante.

Questo non vuol dire che non avremo mai router quantistici scalabili. Vari gruppi stanno lavorando su diversi approcci che hanno il potenziale per scalare. Il progresso è costante ma lento.

Sta arrivando un Internet quantistico. Il problema è che nessuno sa quando.

Rif: arxiv.org/abs/1207.7265 : Dimostrazione sperimentale di un router quantistico basato sull'entanglement

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