Prima mondiale: teletrasporto quantistico tra fotoni

Stoccarda — È una pietra miliare nella ricerca quantistica: per la prima volta, fisici dell’Università di Stoccarda sono riusciti a teletrasportare uno stato quantico da un fotone emesso da una sorgente a un altro fotone nato in una sorgente distinta. L’esperimento, condotto su un tratto di fibra ottica lungo circa dieci metri, rappresenta un passo cruciale verso la realizzazione di una rete quantistica globale, capace di garantire comunicazioni ultra-sicure.

L’esperimento che cambia le regole del gioco

Il team guidato da Tim Strobel, dell’Istituto per l’ottica dei semiconduttori e interfacce funzionali (IHFG) dell’Università di Stoccarda, ha utilizzato due quantum dot (punti quantici): minuscole nanostrutture semiconduttrici in grado di generare fotoni molto precisi.

• Una dei due quantum dot funge da sorgente di fotone singolo, preparato in uno stato di polarizzazione ben definito.

• L’altro quantum dot produce una coppia di fotoni entangled (biexciton-exciton). Uno di questi fotoni entangled viene inviato via fibra ottica fino a un punto di misura (Bell-state measurement), dove interagisce con il fotone singolo dell’altra sorgente, trasferendo su di sé lo stato quantico originario.

• Per risolvere un ostacolo tecnologico cruciale — la leggera differenza di frequenza tra i fotoni provenienti dalle due sorgenti — il gruppo ha impiegato convertitori di frequenza quantistici che preservano la polarizzazione, rendendo i fotoni indistinguibili al rilevamento.

L’esperimento ha registrato una fedeltà media di teletrasporto di circa 0,721 (pari a 72,1 %), ben al di sopra del limite massimo possibile con metodi classici (2/3).

Un grande passo verso il “quantum internet”

Il teletrasporto quantistico è considerato un elemento chiave per costruire quantum repeater, i nodi che permetteranno di rinnovare l’informazione quantistica lungo lunghe distanze di fibra ottica.

Finora, molti esperimenti di teletrasporto quantistico coinvolgevano fotoni generati dallo stesso dispositivo o sorgente. Ciò limita moltissimo l’applicabilità pratica nelle reti reali. Il risultato ottenuto a Stoccarda dimostra che è possibile teletrasportare stati quantistici tra fotoni emessi da sorgenti fisicamente separate: un requisito fondamentale per una rete quantistica scalabile e distribuita.

Inoltre, l’esperimento è avvenuto su fibra ottica standard, ossia lo stesso tipo di cavo già ampiamente utilizzato nelle attuali infrastrutture di comunicazione. Questo offre la concreta prospettiva di integrare reti quantistiche con l’hardware esistente, senza dover rivoluzionare completamente la “colonna portante” delle telecomunicazioni.

Nonostante il successo, restano numerose difficoltà da superare:

1. Distanza
   L’esperimento è stato condotto su soli 10 metri di fibra ottica. Anche se è un risultato fondamentale, la scalabilità verso decine o centinaia di chilometri è ancora una sfida.

2. Visibilità dell’interferenza
   I ricercatori parlano di una “visibilità” dell’interferenza tra fotoni di circa il 30% dopo la conversione di frequenza. Questo valore può limitare l’efficacia e la qualità del teletrasporto.

3. Stabilità delle sorgenti
   I quantum dot non sono perfettamente identici. Piccole fluttuazioni nei loro livelli energetici continuano a generare differenze tra fotoni che, idealmente, dovrebbero essere completamente indistinguibili. Per migliorare la fedeltà e la ripetibilità, si rende necessaria una raffinata ingegneria dei semiconduttori.

4. Efficienza e tasso
   Anche se il teletrasporto ha superato il limite “classico”, il tasso di successo (ossia quante volte il processo è avvenuto con successo) è ancora limitato. Per applicazioni reali, serve aumentare la velocità e l’affidabilità.

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Le conseguenze potenziali di questo risultato sono profonde:

• Sicurezza quantistica: il teletrasporto quantistico offre una modalità di trasferimento dell’informazione che è intrinsecamente sicura, perché qualsiasi misura o intercettazione modifica lo stato quantico e può essere rilevata. Questo rende le reti future resistenti a intercettazioni ostili.

• Quantum repeater: il successo apre la strada allo sviluppo di ripetitori quantistici su larga scala, essenziali per fare viaggiare l’informazione quantistica su distanze lunghe.

• Integrazione con infrastrutture esistenti: l’utilizzo di fibra ottica classica e di sorgenti compatibili con lunghezze d’onda telecom rende realistico l’uso di reti quantistiche insieme a quelle attuali, riducendo costi e barriere tecnologiche.

• Progresso tecnologico nei quantum dot: la ricerca stimolerà ulteriori miglioramenti nella progettazione e produzione di quantum dot sempre più uniformi e stabili, aumentando la fedeltà e l’efficienza degli esperimenti futuri.

• Tim Strobel, primo autore dello studio, ha dichiarato: “Fotoni provenienti da quantum dot diversi non erano mai stati teletrasportati prima, perché è estremamente complesso renderli indistinguibili”

• Peter Michler, responsabile dell’Istituto IHFG, sottolinea che l’esperimento è un risultato chiave per le fonti di luce su semiconduttore, un ingrediente essenziale per una rete quantistica scalabile.

• Il contributo significativo dei convertitori di frequenza è evidenziato anche dal team di Saarland University, che ha sviluppato dispositivi in grado di adattare la frequenza dei fotoni mantenendo la loro polarizzazione.

L’esperimento di Stoccarda rappresenta una svolta nel percorso verso un internet quantistico: dimostra che è possibile teletrasportare stati quantistici tra fotoni provenienti da sorgenti separate, utilizzando fibra ottica convenzionale. Questo non è solo un traguardo accademico, ma un vero passo tecnologico verso una comunicazione quantistica sicura e scalabile.

Le sfide non mancano: servono distanze più grandi, maggiore efficienza, sorgenti più stabili. Ma con questa dimostrazione, il sogno di una rete quantistica diffusa — in cui l’informazione viaggia “teletrasportata” da una parte all’altra del mondo — non è più solo fantascienza.