Le reti quantistiche di domani potrebbero presto superare uno dei loro ostacoli più significativi grazie a una scoperta che promette di rivoluzionare le comunicazioni a lunga distanza. Un team di ricercatori dell'Università dell'Illinois ha sviluppato una piattaforma innovativa che sfrutta array di atomi di itterbio-171 per creare collegamenti quantistici diretti nelle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, eliminando la necessità di conversioni che tradizionalmente introducono perdite di segnale e rumore. Il loro lavoro, pubblicato su Nature Physics, rappresenta un passo decisivo verso la realizzazione di reti quantistiche su scala globale.
La sfida delle conversioni di lunghezza d'onda
Il problema fondamentale che ha afflitto finora le reti quantistiche basate su atomi risiede in una questione tecnica apparentemente semplice ma dalle implicazioni profonde. La maggior parte di questi sistemi opera infatti con lunghezze d'onda nel visibile o nell'ultravioletto vicino, completamente incompatibili con l'infrastruttura di comunicazione moderna. Per trasmettere informazioni quantistiche attraverso le fibre ottiche che costituiscono la spina dorsale di Internet, è necessario convertire i segnali nella banda delle telecomunicazioni, un processo che inevitabilmente degrada la qualità dell'informazione.
Jacob Covey, professore assistente di fisica e leader del gruppo di ricerca, ha individuato nell'itterbio-171 la chiave per aggirare questa limitazione. Questo atomo alcalino-terroso presenta una struttura energetica unica che lo ha reso particolarmente apprezzato dalla comunità dei fisici quantistici, offrendo proprietà ideali per applicazioni di rete.
L'innovazione dell'approccio diretto
Lintao Li, ricercatore postdottorale e autore principale dello studio, spiega come il team abbia inizialmente considerato di lavorare con i fotoni verdi del qubit nucleare dello stato fondamentale, prima di scoprire le potenzialità della transizione a 1.389 nanometri. "Non è così ampia da richiedere laser mode-locked costosi e controlli temporali complessi, né così stretta da non fornire un tasso di fotoni sufficientemente elevato per un buon rapporto segnale-rumore, anche senza una cavità ottica per raccogliere i fotoni", precisa Li.
La vera innovazione consiste nell'aver dimostrato per la prima volta nel settore l'utilizzo di array di atomi neutri di itterbio-171 per generare entanglement atomo-fotone direttamente alla lunghezza d'onda delle telecomunicazioni. Questa capacità di mappare un array di atomi su un array di fibre ottiche ha dato vita a un protocollo di rete con il potenziale di scalare significativamente le comunicazioni quantistiche a lunga distanza.
Risultati promettenti e sfide future
Simon Hu, studente di dottorato e coautore del lavoro, sottolinea i successi raggiunti: "Abbiamo dimostrato una fedeltà di entanglement atomo-fotone piuttosto elevata e mostrato che questo protocollo di rete quantistica può essere parallelizzato con l'integrazione di un array di fibre. Il nostro lavoro apre le porte a molte applicazioni interessanti nel networking quantistico".
Nonostante i risultati incoraggianti, la piattaforma presenta ancora limitazioni significative. L'efficienza di raccolta dei fotoni rimane relativamente bassa, rallentando di fatto la velocità di rete complessiva. Gloria Jia, ricercatrice postdottorale e co-autrice principale, delinea i prossimi obiettivi del team: "Quando ci sposteremo verso reti quantistiche su larga scala, il fotone non sarà il qubit finale su cui lavoreremo. Stiamo pianificando di ottenere entanglement atomo-atomo su larga scala mediato da fotoni, piuttosto che solo entanglement diretto atomo-fotone".
Oltre le reti: orologi atomici di nuova generazione
Le implicazioni di questa ricerca si estendono ben oltre le comunicazioni quantistiche, toccando settori cruciali come la metrologia quantistica e lo sviluppo di orologi atomici di precisione. L'itterbio nei reticoli ottici è già riconosciuto come un'opzione eccellente per gli orologi atomici, dispositivi che misurano il tempo monitorando la frequenza di risonanza degli atomi e che risultano essenziali per il GPS e la navigazione satellitare.
Come osserva Hu, "molti dei nostri orologi atomici attuali sono basati su tecnologie di diverse decadi fa. La prossima generazione di orologi atomici basati su standard di frequenza ottica spingerà davvero verso la precisione e la stabilità che possono fornire". La rete scalabile dimostrata dal team rappresenta un ingrediente chiave per connettere e sincronizzare orologi atomici multipli in tutto il mondo, un requisito fondamentale per la loro commercializzazione futura.
