La minaccia dei computer quantistici alla sicurezza delle nostre comunicazioni digitali ha spinto la comunità scientifica a cercare soluzioni sempre più innovative. Un team di ricercatori giapponesi ha compiuto un passo decisivo verso la realizzazione di reti di comunicazione quantistica pratiche ed economiche, sviluppando un sistema che genera fotoni singoli direttamente all'interno di una fibra ottica. Il metodo, operativo a temperatura ambiente e basato su componenti commerciali, potrebbe rivoluzionare il settore delle telecomunicazioni sicure.
Il professor associato Kaoru Sanaka del Dipartimento di Fisica della Tokyo University of Science ha guidato il gruppo che ha pubblicato i risultati su Optics Express. Insieme a lui hanno lavorato il dottorando Kaito Shimizu e il professor assistente Tomo Osada, con la collaborazione del professor associato Mark Sadgrove per i dispositivi in fibra. La loro innovazione affronta una delle sfide principali delle tecnologie quantistiche: l'efficienza di accoppiamento tra la sorgente di fotoni e la fibra che li trasporta.
Nei sistemi convenzionali, gli emettitori di fotoni singoli come i punti quantici o gli ioni di elementi delle terre rare vengono posizionati all'esterno della fibra ottica. Questa configurazione comporta perdite significative durante il trasferimento dei fotoni nella fibra, compromettendo l'efficienza complessiva del sistema. La dispersione di fotoni durante questa fase critica rappresenta uno dei principali ostacoli alla realizzazione di reti di comunicazione quantistica affidabili.
La soluzione proposta dal team giapponese ribalta completamente questo approccio. Invece di generare i fotoni all'esterno e poi tentare di guidarli nella fibra, il sistema utilizza ioni di neodimio isolati intrappolati direttamente all'interno di una fibra ottica affusolata. Un singolo ione Nd3+ viene eccitato selettivamente tramite un laser, generando fotoni che vengono immediatamente incanalati nella modalità guidata della fibra stessa.
Il processo di fabbricazione inizia con fibre di silice drogate con ioni di neodimio. Gli ioni Nd3+ sono stati scelti per la loro capacità di emettere fotoni attraverso un'ampia gamma di lunghezze d'onda, incluse quelle standard delle telecomunicazioni, rendendoli versatili per diverse applicazioni quantistiche. Le fibre vengono poi sottoposte a un processo di assottigliamento attraverso riscaldamento e trazione: una sezione della fibra viene riscaldata e stirata per ridurne gradualmente lo spessore.
Questa tecnica di tapering permette di accedere a singoli ioni Nd3+ spazialmente separati all'interno della sezione assottigliata. A differenza dei metodi precedenti che eccitavano simultaneamente più ioni, l'eccitazione selettiva di un singolo ione rappresenta il cuore dell'innovazione. Il team ha validato sperimentalmente l'emissione di un solo fotone alla volta utilizzando l'autocorrelazione, una tecnica analitica che confronta il segnale fotonico con una sua versione ritardata.
I risultati dimostrano un'efficienza di raccolta significativamente superiore rispetto ai metodi precedenti basati sull'eccitazione non selettiva. L'efficienza può essere ulteriormente migliorata raccogliendo fotoni da entrambe le estremità della fibra. Inoltre, il processo di affusolamento non altera le proprietà ottiche naturali dello ione, mantenendo intatte le caratteristiche di emissione.
L'aspetto rivoluzionario di questo approccio risiede nella sua praticità economica. Utilizzando fibre ottiche disponibili commercialmente, il sistema risulta economico e facilmente integrabile nelle reti di comunicazione esistenti basate su fibra. La possibilità di selezionare diverse lunghezze d'onda aggiunge flessibilità per applicazioni specifiche. Ma forse l'aspetto più significativo è che il sistema opera a temperatura ambiente, eliminando la necessità di costosi sistemi criogenici richiesti dalla maggior parte delle tecnologie quantistiche attuali.
Le implicazioni vanno oltre le comunicazioni quantistiche. Come sottolinea Sanaka, operando individualmente su più ioni isolati all'interno della stessa fibra, diventa possibile sviluppare un'unità di elaborazione multi-qubit. Il qubit o bit quantistico rappresenta l'unità base dell'informazione quantistica, e questa tecnologia potrebbe abilitare protocolli di codifica qubit per il calcolo quantistico del futuro.
