L'internet quantistico, la rete di comunicazione del futuro basata sui principi della meccanica quantistica, potrebbe finalmente uscire dai confini dei laboratori per abbracciare distanze continentali. Un gruppo di ricerca della University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering ha dimostrato che è possibile estendere la distanza di collegamento tra computer quantistici da pochi chilometri a oltre 2.000 chilometri, un incremento di circa 200 volte rispetto ai limiti attuali. La scoperta, pubblicata sulla rivista Nature Communications, rappresenta un passaggio cruciale verso la realizzazione di una rete quantistica globale, aprendo scenari inediti per la trasmissione ultrasicura di informazioni e il calcolo distribuito ad altissime prestazioni.
Il problema fondamentale che ha sempre limitato le reti quantistiche risiede nella fragilità dell'entanglement, quel fenomeno controintuitivo della fisica quantistica per cui due particelle rimangono correlate istantaneamente anche a grande distanza. Per collegare computer quantistici attraverso cavi in fibra ottica occorre mantenere questa delicata correlazione tra atomi per un tempo sufficiente: più a lungo dura la coerenza quantistica, maggiore è la distanza che può essere coperta. Fino ad oggi, le tecnologie disponibili permettevano collegamenti di appena qualche chilometro, rendendo impossibile qualsiasi applicazione pratica su scala geografica significativa.
Il professor Tian Zhong e il suo team hanno rivoluzionato questo scenario non cambiando i materiali utilizzati, ma modificando radicalmente il metodo di produzione. I ricercatori hanno utilizzato cristalli drogati con terre rare, gli stessi impiegati tradizionalmente, ma li hanno fabbricati con una tecnica chiamata epitassia a fascio molecolare (MBE), mutuata dall'industria dei semiconduttori. Con questo approccio, il team è riuscito ad aumentare i tempi di coerenza quantistica degli atomi di erbio da 0,1 millisecondi a oltre 10 millisecondi, con punte sperimentali fino a 24 millisecondi. Quest'ultimo valore corrisponderebbe teoricamente a una distanza di collegamento di 4.000 chilometri, sufficiente per connettere Chicago con la Colombia.
La tecnica tradizionale per produrre questi cristalli, nota come metodo Czochralski, funziona come un crogiolo: gli ingredienti vengono fusi insieme a temperature superiori ai 2.000 gradi Celsius e poi lentamente raffreddati per formare un blocco cristallino. Successivamente, questo materiale viene "scolpito" chimicamente per ottenere la forma desiderata, un po' come uno scultore che lavora un blocco di marmo. L'epitassia a fascio molecolare, invece, costruisce il cristallo strato per strato, atomo per atomo, in modo simile a una stampa 3D a livello atomico. Questa precisione nella deposizione consente di ottenere materiali di purezza straordinaria, con difetti strutturali minimizzati.
Come ha spiegato Zhong, la collaborazione con il professor Shuolong Yang, esperto in sintesi dei materiali presso la stessa università, è stata determinante per adattare la tecnica MBE a questo specifico scopo. Sebbene l'epitassia a fascio molecolare sia ampiamente utilizzata nell'industria elettronica, non era mai stata applicata alla produzione di questi particolari materiali drogati con terre rare per applicazioni quantistiche. Il risultato è un dispositivo che integra qubit a singoli ioni di terre rare con eccellenti proprietà ottiche e di coerenza, operante alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni e compatibile con l'architettura delle fibre ottiche.
L'importanza della ricerca è stata riconosciuta dalla comunità scientifica internazionale, tanto che Zhong ha recentemente ricevuto il prestigioso Sturge Prize per questo lavoro. Il professor Hugues de Riedmatten dell'Institute of Photonic Sciences, uno dei massimi esperti mondiali nel campo e non coinvolto nella ricerca, ha definito l'approccio "altamente innovativo", sottolineando come questa tecnica di nanofabbricazione controllata offra una strada promettente e scalabile per la produzione di numerosi qubit interconnettibili in modo controllato.
Nonostante i risultati teorici siano straordinari, il passo successivo richiede una verifica sperimentale rigorosa. Il team di Zhong sta attualmente allestendo un esperimento per collegare due qubit contenuti in refrigeratori a diluizione separati, dispositivi che mantengono temperature prossime allo zero assoluto necessarie per il funzionamento dei computer quantistici, attraverso 1.000 chilometri di cavo in fibra ottica avvolto su bobine all'interno del laboratorio. Questo test simulerà le condizioni di una connessione reale a lunga distanza senza dover effettivamente posare cavi tra città diverse.
Il progetto a medio termine prevede la costruzione di una rete locale con tre refrigeratori criogenici nel laboratorio dell'Università di Chicago, che fungerà da banco di prova per sperimentare le dinamiche di una futura rete quantistica a lunga distanza. Questi esperimenti rappresentano tappe intermedie ma fondamentali verso l'obiettivo finale: una vera internet quantistica globale capace di garantire comunicazioni assolutamente sicure grazie alle leggi della meccanica quantistica, che rendono impossibile intercettare informazioni senza essere rilevati, e di connettere computer quantistici distribuiti geograficamente per creare una potenza di calcolo senza precedenti nella storia dell'informatica.
