Decapitare i fotoni per lo stoccaggio di informazioni

Dopo il Nobel 2012 assegnato a Serge Haroche e David Wineland, vari gruppi di ricerca stanno mettendo a punto tecniche di manipolazione dei sistemi quantistici per potenziare i calcolatori, ancora sofferenti a causa della decoerenza indotta dall’ambiente. Una ricerca pubblicata su National Science Review tenta di sfruttare la sovrapposizione quantistica per isolare e controllare il sistema rendendolo coerente il più a lungo possibile. Faccio un po’ il punto della situazione.

La comunicazione quantistica studia i modi in cui si può sfruttare la natura dei fotoni per trasmettere informazioni. Da quando sono state messe a punto alcune tecniche di crittografia quantistica, questa scienza ha ricevuto un’attenzione sempre maggiore da parte di governi, banche e multinazionali. Il motivo è semplice: è impossibile hackerarne i contenuti, in quanto i messaggi sono decifrabili solo dall’emittente e dal destinatario. Sappiamo che le particelle hanno proprietà davvero strane: non hanno una posizione, né uno stato ben definito, a meno che non intervenga un processo di misurazione a determinarli. Ciò significa che una chiave di cifratura può essere trasmessa in completa sicurezza da Alice a Bob – così di solito ci si esprime per descrivere la trasmissione dell’informazione da A a B – dato che ogni tentativo di intercettarla, dunque di intervenire nel sistema, sarebbe immediatamente noto ad A e B.

L’inviolabilità dei messaggi è garantita dalla sovrapposizione quantistica, una proprietà unica delle particelle: un fotone può esistere in due stati differenti (polarizzazione verticale e orizzontale, ad esempio). Invece di spedire segnali in codice digitale, cioè 0 e 1, la comunicazione quantistica può spedire informazioni in stati di sovrapposizione che rappresentano sia 0 che 1 allo stesso tempo. Senza contare che sistemi quantistici separati, come una coppia di fotoni, possono essere legati tra loro grazie all’entanglement: in questo modo si ottiene uno strumento estremamente potente, sicuro e che, nel caso di coppie di fotoni, non ha alcuna controparte classica.

L’approccio standard alla comunicazione quantistica prevede che la codifica dei qubit (i bit quantistici) avvenga sfruttando la polarizzazione di fotoni. La rilevazione della corretta polarizzazione richiede però che tutti gli utenti interessati abbiano un sistema di riferimento comune rispetto al quale valutare la polarizzazione stessa. A causa delle modalità di codifica dell’informazione nei qubit, fino ad oggi la comunicazione quantistica poteva essere realizzata solo fra sistemi in quiete. Sfruttando stati quantistici ibridi, di recente sono stati messi a punto dispositivi di codifica che permettono di trasmettere questo tipo di messaggi anche fra utenti in movimento. I segnali quantistici hanno coperto distanze di poche centinaia di kilometri, mettendo in comunicazione punti teoricamente situati in città diverse.

Fino ad oggi, soprattutto per potenziare le capacità dei computer, gli scienziati hanno aumentato il numero di particelle correlate, ciascuna di esse posta in uno stato bidimensionale di sovrapposizione: un qubit. Utilizzando questo metodo l’anno scorso è stato possibile realizzare stati entangled fino ad un massimo di 14 particelle (tenete presente che non è il record attuale).  Ora, in un nuovo paper appena pubblicato sembra possibile battere nuovamente il record. È infatti possibile creare stati entangled tra coppie di fotoni “in più dimensioni” utilizzando alcune proprietà quantistiche come lo spin dei fotoni. Questo metodo, chiamato “hyperentanglement” permette ad ogni coppia di fotoni di trasportare molti più dati di quanto fosse possibile con i metodi precedenti. Si parla di pacchetti di informazioni.

(Crediti: wikipedia.org).

La ricerca, pubblicata oggi su Nature Photonics descrive nel dettaglio questa innovativa tecnica, nota come “biphoton frequency comb”. In pratica, per semplificare in modo che capiate di cosa si parla, i ricercatori sono riusciti a dividere in parti i fotoni – lo so che sembra fantascienza, ma vi assicuro che è possibile –  per registrare ed immagazzinare un maggior numero di fotoni.  Nel trasferimento sicuro dei dati, i fotoni inviati su reti in fibra ottica possono essere criptati attraverso entanglement. Con ciascuna dimensione di entanglement, la quantità di informazioni trasportate su una coppia di fotoni viene raddoppiata, quindi una coppia di fotoni entangled a cinque dimensioni può trasportare una quantità di dati fino a 32 volte maggiore di quella veicolata da una coppia entangled ad una dimensione. “Abbiamo dimostrato che un pettine ottico a frequenza può essere generato a livello di un singolo fotone”, ha detto Xie. “Essenzialmente stiamo sfruttando la divisione della lunghezza d’onda per operare una specie di multiplazione a livello quantistico.” Le potenziali applicazioni per la ricerca comprendono la comunicazione sicura e di elaborazione delle informazioni, in particolare per il trasferimento di dati con il minimo errore.

Paper: Harnessing high-dimensional hyperentanglement through a biphoton frequency comb., in Nature Photonics (2015) DOI: 10.1038/nphoton.2015.110

Fonte: phys.org

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