Un esperimento condotto presso il National Institute of Information and Communications Technology (NICT) giapponese segna un punto di svolta significativo: per la prima volta è stato dimostrato sperimentalmente lo scambio di entanglement sfruttando la generazione di somma di frequenza tra singoli fotoni. Questa tecnica, sebbene prevista teoricamente da anni, si era sempre scontrata con un ostacolo apparentemente insormontabile: gli effetti ottici non lineari a livello di singolo fotone sono estremamente deboli, producendo segnali talmente flebili da risultare praticamente indistinguibili dal rumore di fondo. Il successo dell'équipe giapponese, pubblicato sulla rivista Nature Communications, apre nuove prospettive per la realizzazione di circuiti quantistici miniaturizzati e per la distribuzione di chiavi crittografiche su lunghe distanze.
Lo scambio di entanglement rappresenta uno dei protocolli fondamentali per le reti di comunicazione quantistica. In termini semplici, questa operazione permette di creare una correlazione quantistica tra due fotoni che non hanno mai interagito direttamente, utilizzando come "intermediari" altri due fotoni entangled. Le implementazioni tradizionali di questo processo si basano sull'interferenza a due fotoni mediante separatori di fascio convenzionali e rivelatori. Tuttavia, questo approccio presenta un limite critico: quando la generazione delle coppie di fotoni è probabilistica, non è possibile distinguere gli eventi riusciti da quelli falliti senza effettuare una misura che distrugge inevitabilmente lo stato quantistico finale. Questo vincolo limita drasticamente la fedeltà dell'operazione e restringe il campo di applicazioni pratiche.
La soluzione proposta teoricamente si basa sulla generazione di somma di frequenza (SFG), un processo ottico non lineare in cui due fotoni di frequenze diverse si combinano all'interno di un cristallo speciale per produrre un singolo fotone di frequenza superiore. Quando questo processo coinvolge singoli fotoni anziché fasci intensi di luce, diventa possibile rilevare il fotone SFG risultante senza distruggere la coppia di fotoni entangled finale. La presenza del fotone SFG costituisce un "annuncio" deterministico del successo dell'operazione, permettendo di raggiungere fedelità elevate. Dal punto di vista fisico, il cristallo non lineare funziona come un analizzatore di stati di Bell, uno strumento concettuale fondamentale per distinguere tra i quattro possibili stati quantistici massimamente entangled di due particelle.
Il team del NICT ha affrontato la sfida tecnologica combinando tre elementi all'avanguardia. In primo luogo, hanno utilizzato sorgenti di coppie di fotoni entangled ad alta velocità di ripetizione, che producono fotoni in modo sincronizzato con un clock esterno. Questo approccio, sviluppato internamente, permette di generare eventi con una cadenza temporale precisa, facilitando la coincidenza tra fotoni provenienti da sorgenti diverse. In secondo luogo, hanno impiegato rivelatori superconduttori a nanofili (SNSPD), dispositivi criogenici che operano a temperature prossime allo zero assoluto e sono in grado di rilevare singoli fotoni con efficienza elevata e rumore di fondo estremamente ridotto. Infine, hanno integrato un cristallo ottico non lineare ad alta efficienza, ottimizzato per massimizzare la probabilità di interazione tra singoli fotoni.
I risultati sperimentali hanno confermato la rilevazione dei fotoni SFG con un rapporto segnale-rumore significativamente superiore rispetto al primo tentativo del 2014, quando il segnale era praticamente sommerso dal rumore. Più importante ancora, i ricercatori hanno verificato la presenza di un forte entanglement nello stato finale mediante misure di correlazione polarizzazione. Analizzando le coincidenze tra le misure di polarizzazione orizzontale (H), verticale (V), diagonale (D) e anti-diagonale (A) sui fotoni finali, hanno stimato un limite inferiore della fedeltà allo stato massimamente entangled pari a 0,770 ± 0,076. Questo valore, significativamente superiore alla soglia classica di 0,5, dimostra inequivocabilmente la natura quantistica dello stato prodotto.
Le implicazioni di questo esperimento si estendono ben oltre la dimostrazione di principio. Nel contesto della distribuzione quantistica di chiavi crittografiche, la versione "device-independent" rappresenta il gold standard di sicurezza: la segretezza delle comunicazioni non dipende dalla fiducia nei dispositivi utilizzati, ma si basa esclusivamente sulle leggi della meccanica quantistica verificate attraverso test di Bell. Tuttavia, per chiudere tutti i "loophole" (scappatoie) che potrebbero minare la validità di questi test su lunghe distanze, è essenziale disporre di operazioni di scambio di entanglement ad alta fedeltà che non richiedano la distruzione degli stati finali. La tecnica SFG soddisfa proprio questo requisito.
Dal punto di vista della fisica fondamentale, questo lavoro dimostra la fattibilità di sfruttare effetti ottici non lineari del secondo ordine a livello quantistico, aprendo la strada a una nuova classe di porte logiche quantistiche. A differenza delle implementazioni basate su interferenza lineare, che richiedono configurazioni spaziali complesse con molti componenti ottici, i processi non lineari possono essere integrati in cristalli compatti, facilitando la miniaturizzazione dei circuiti per l'elaborazione dell'informazione quantistica fotonica. Questa caratteristica è particolarmente rilevante per lo sviluppo di tecnologie quantistiche scalabili e integrate su chip.
Nonostante il successo ottenuto, i ricercatori del NICT riconoscono che ulteriori miglioramenti nel rapporto segnale-rumore saranno necessari per applicare questa tecnica a protocolli più avanzati. Le direzioni future della ricerca includono l'ottimizzazione dell'efficienza dei cristalli non lineari attraverso nuovi design delle strutture guidanti e l'implementazione di cavità ottiche risonanti che aumentino l'interazione tra fotoni e materiale. L'obiettivo a lungo termine è raggiungere efficienze sufficientemente elevate da rendere praticabile l'estensione delle distanze di trasmissione nelle reti quantistiche device-independent e la realizzazione di architetture completamente integrate per il calcolo quantistico fotonico, un campo in cui la miniaturizzazione e l'efficienza energetica rappresentano sfide ancora aperte.
