La luce quantistica strutturata sta emergendo come uno degli strumenti più promettenti per ridefinire i confini dell'elaborazione e della trasmissione dell'informazione. Attraverso la manipolazione simultanea di molteplici proprietà della luce – polarizzazione, modalità spaziali e frequenza – i ricercatori sono riusciti a creare fotoni capaci di trasportare quantità di informazioni molto superiori rispetto ai tradizionali qubit bidimensionali. Questa evoluzione tecnologica, oggetto di una recente analisi pubblicata come articolo di copertina su Nature Photonics nel numero di novembre 2025, rappresenta la convergenza tra scienza dell'informazione quantistica e ingegneria ottica avanzata, con implicazioni che spaziano dalla crittografia alla microscopia biologica.
Il cuore dell'innovazione risiede nel passaggio dai qubit ai qudit, stati quantistici con più di due dimensioni. Mentre i qubit convenzionali sfruttano fotoni in sovrapposizione di due stati quantistici, i qudit amplificano drasticamente le capacità dei sistemi quantistici. Questa transizione non è solo un salto quantitativo, ma una ridefinizione qualitativa delle possibilità offerte dalla computazione e dalla comunicazione quantistica. Nel campo della comunicazione, ad esempio, i fotoni ad alta dimensionalità incrementano la sicurezza codificando più informazioni in ogni singola particella luminosa, permettendo simultaneamente l'operazione di numerosi canali e migliorando la resistenza agli errori e al rumore di fondo.
Secondo il professor Andrew Forbes, autore corrispondente dell'articolo e affiliato all'Università del Witwatersrand di Johannesburg, il settore ha attraversato una trasformazione radicale negli ultimi vent'anni. La disponibilità tecnologica è cresciuta esponenzialmente: se due decenni fa gli strumenti per manipolare stati quantistici strutturati erano praticamente inesistenti, oggi esistono sorgenti integrate su chip, compatte ed efficienti, in grado di generare e controllare stati quantistici complessi. Forbes sottolinea tuttavia che permangono sfide significative, in particolare riguardo alla distanza raggiungibile con la luce strutturata, sia classica che quantistica, che rimane ancora limitata. Questa limitazione rappresenta però anche un'opportunità di ricerca, stimolando l'esplorazione di gradi di libertà più astratti da sfruttare.
Le applicazioni pratiche della luce quantistica strutturata si estendono ben oltre la comunicazione e il calcolo. Nel settore dell'imaging e della misurazione, questa tecnologia ha permesso lo sviluppo di tecniche a risoluzione migliorata, tra cui il microscopio quantistico olografico, capace di ottenere immagini di campioni biologici delicati senza danneggiarli. I sensori basati su correlazioni quantistiche raggiungono livelli di sensibilità senza precedenti. Inoltre, la luce strutturata può essere impiegata per simulare sistemi quantistici complessi, aiutando i ricercatori a modellare le interazioni molecolari all'interno di reti e potenzialmente guidando la scoperta di nuovi materiali con proprietà su misura.
Il contributo del Gruppo di Ottica del Dipartimento di Fisica dell'Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) si inserisce in questa narrativa internazionale con risultati di rilievo. Il ricercatore Adam Vallés descrive questo momento storico come un punto di svolta, sottolineando che la luce quantistica strutturata non è più solo una curiosità scientifica ma uno strumento con potenziale reale per trasformare comunicazione, calcolo ed elaborazione delle immagini. La collaborazione tra Vallés e il gruppo di ricerca diretto da Forbes ha prodotto avanzamenti di grande impatto internazionale: dalla teleportazione stimolata di informazioni quantistiche codificate in alte dimensioni, al design di cavità laser per generare stati complessi ad alta purezza, fino alla distribuzione di chiavi quantistiche robuste in crittografia, capaci di resistere a ostacoli che bloccano i canali di comunicazione.
La ricerca è stata sostenuta dalla Catalonia Quantum Academy (CQA), iniziativa collaborativa coordinata dall'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) e promossa dal Governo della Catalogna. Questo programma mira a rafforzare l'educazione e lo sviluppo dei talenti nelle scienze e tecnologie quantistiche in tutta la regione, testimoniando l'impegno europeo nella costruzione di un ecosistema di ricerca competitivo a livello globale. La partnership tra l'UAB e l'università sudafricana, consolidata nel corso degli anni, esemplifica come la collaborazione internazionale sia essenziale per affrontare le complessità della fisica quantistica applicata.
