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Un interruttore per le comunicazioni quantistiche
Internet è fatta di fotoni che sfrecciano attraverso cavi in fibra ottica e attraversano dispositivi come interruttori, modulatori e amplificatori. Ma quei dispositivi standard sarebbero inadeguati per il calcolo o le comunicazioni quantistiche superveloci, approcci sperimentali che sfruttano le proprietà peculiari delle particelle su scala quantistica per eseguire calcoli complessi in modo incredibilmente rapido o per impedire a chiunque di intercettare i messaggi.
Accendilo: I componenti mostrati qui possono reindirizzare i fotoni entangled.
Gli switch commerciali hanno vari problemi che li rendono inadatti per reindirizzare i fotoni entangled. Quelli che sono costituiti da componenti microelettromeccanici mantengono intatti gli stati entangled, ma operano troppo lentamente. Altri interruttori optoelettronici aggiungono troppo rumore in modo che i singoli fotoni siano difficili da rilevare o distruggono completamente le informazioni quantistiche.
Prem Kumar , professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Northwestern University, ha sviluppato uno switch di routing quantistico in grado di trasportare fotoni entangled lungo vari percorsi mantenendo intatte le informazioni quantistiche.
Il dispositivo potrebbe essere particolarmente utile per l'informatica quantistica, afferma James Franson , professore di fisica all'Università del Maryland, nella contea di Baltimora. Per costruire un computer quantistico usando i fotoni, abbiamo bisogno della capacità di scambiare i fotoni [entangled], dice Franson. Un interruttore quantistico un giorno potrebbe anche consentire la condivisione su lunghe distanze di fotoni entangled provenienti da diversi computer quantistici, come il cloud computing, ma con informazioni quantistiche.
Kumar afferma che il passaggio renderà anche le reti quantistiche ultra sicure una realtà. Le informazioni odierne sono in genere protette utilizzando la cosiddetta crittografia a chiave pubblica, che si basa sull'impossibilità pratica di eseguire determinati compiti matematici, come il factoring di numeri estremamente grandi. Le reti quantistiche offrirebbero un'alternativa ancora più sicura alla crittografia a chiave pubblica. L'uso di fotoni entangled per comunicare garantisce la sicurezza perché qualsiasi tentativo di intercettare un messaggio disturberebbe lo stato quantistico delle particelle.
Per costruire il nuovo interruttore quantistico, i ricercatori hanno utilizzato un cavo in fibra ottica commerciale e altri componenti ottici standard, afferma Kumar. Il mio obiettivo è fare cose nello spazio delle informazioni quantistiche che siano molto compatibili con le infrastrutture in fibra esistenti, dice.
Il primo passo è preparare i fotoni. I fotoni entangled hanno proprietà, come la polarizzazione, che sono fondamentalmente collegate. Se due fotoni sono entangled, la polarizzazione misurata di uno rivela lo stato corrispondente dell'altro. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica in cui hanno mescolato più lunghezze d'onda della luce all'interno di una fibra standard per creare coppie di fotoni entangled.
Il prossimo passo è inviare un fotone lungo la fibra ottica allo switch, che cambia il corso del fotone. L'interruttore dei ricercatori è costituito da soli componenti ottici, tra cui una bobina di 100 metri di fibra ottica disposta ad anello. Un fotone di una coppia entangled viene inviato attraverso un'estremità del ciclo e attraverso un multiplexer, mentre un potente laser invia impulsi di luce nella bobina. Il fotone viene spostato in modo tale che all'altra estremità del ciclo si separi lungo un percorso separato, rimanendo impigliato con il suo partner.
Il risultato finale è un interruttore molto veloce, con un basso rumore di fondo e, soprattutto, preserva le informazioni quantistiche. I rilevatori di fotoni singoli all'estremità delle fibre confermano che entrambi i fotoni hanno mantenuto il loro stato entangled, mostrando che l'informazione quantistica è stata preservata. Il lavoro è descritto in un recente numero della rivista Lettere di revisione fisica .
È uno sviluppo importante, perché il passaggio di fotoni è davvero la differenza principale nell'andare avanti in ulteriori progressi nell'informatica quantistica usando i fotoni, afferma Franson.