La produzione di singoli fotoni "puri" rappresenta una delle sfide più complesse nella realizzazione di computer quantistici ottici e sistemi di comunicazione ultrasicuri. Un gruppo di ricerca dell'Università dell'Iowa ha ora dimostrato, in un lavoro teorico pubblicato sulla rivista Optica Quantum, che è possibile sfruttare proprio il rumore laser – tradizionalmente considerato un elemento di disturbo – per eliminare le emissioni fotoniche indesiderate. La scoperta potrebbe trasformare un ostacolo tecnico persistente in uno strumento di precisione per le tecnologie quantistiche basate sulla luce.
Nel campo dell'informatica fotonica, il controllo delle singole particelle di luce è cruciale quanto la gestione degli elettroni nei circuiti convenzionali. I computer quantistici, a differenza di quelli tradizionali che elaborano informazioni attraverso bit binari (zero o uno), utilizzano qubit: stati quantistici che possono esistere in sovrapposizione, moltiplicando esponenzialmente la capacità di calcolo. Quando questi qubit sono rappresentati da fotoni, la purezza del flusso luminoso diventa determinante per l'affidabilità e la sicurezza dell'intero sistema.
Il team guidato da Ravitej Uppu, professore assistente nel Dipartimento di Fisica e Astronomia, ha affrontato due problematiche fondamentali che da anni limitano l'efficienza delle sorgenti di fotoni singoli. La prima è lo scattering laser: quando un fascio laser colpisce un atomo per indurre l'emissione di un fotone, il processo genera inevitabilmente fotoni aggiuntivi indesiderati che agiscono come interferenze nel circuito ottico. La seconda difficoltà emerge dal comportamento imprevedibile degli atomi stessi: in casi rari ma significativi, un atomo eccitato rilascia più fotoni contemporaneamente, compromettendo la sequenza ordinata necessaria per le operazioni quantistiche.
La svolta teorica è arrivata dal lavoro di Matthew Nelson, dottorando che ha individuato una connessione inattesa tra questi due fenomeni problematici. Analizzando lo spettro di lunghezze d'onda e la forma d'onda dei fotoni multipli emessi dagli atomi, Nelson ha scoperto che questi parametri corrispondono quasi perfettamente a quelli della luce laser incidente. Questa somiglianza apre la possibilità di un'interferenza distruttiva controllata: regolando con precisione le caratteristiche del fascio laser, è teoricamente possibile far sì che lo scattering cancelli le emissioni fotoniche multiple, lasciando solo il flusso desiderato di fotoni singoli.
La metodologia proposta richiede un controllo estremamente raffinato dei parametri laser: angolo di incidenza, geometria del fascio e intensità devono essere calibrati con accuratezza nanometrica. "Abbiamo dimostrato che lo scattering laser disperso, tipicamente considerato un fastidio, può essere sfruttato per cancellare le emissioni multi-fotoniche indesiderate", spiega Uppu. Il principio ricorda tecniche di cancellazione del rumore già utilizzate in acustica, ma applicato al dominio quantistico delle particelle elementari di luce.
Le implicazioni pratiche di questa scoperta riguardano sia la velocità di calcolo che la sicurezza delle comunicazioni quantistiche. Un flusso ordinato di fotoni singoli è paragonabile, secondo i ricercatori, al far passare studenti in mensa uno alla volta anziché in gruppo disordinato: migliora l'efficienza operativa e riduce drasticamente il rischio che informazioni sensibili vengano intercettate o corrotte. Nelle reti di comunicazione quantistica, dove la crittografia si basa sulla natura quantistica dei singoli fotoni, ogni fotone spurio rappresenta una potenziale vulnerabilità di sicurezza.
Il lavoro si colloca nel contesto più ampio dello sviluppo di piattaforme fotoniche per il calcolo quantistico, un'area in cui numerose aziende tecnologiche stanno investendo risorse considerevoli. Rispetto agli approcci basati su ioni intrappolati o superconduttori, i sistemi fotonici promettono maggiore velocità e facilità di integrazione con le infrastrutture di telecomunicazione esistenti, ma richiedono sorgenti di fotoni singoli estremamente affidabili e scalabili.
La ricerca è stata finanziata dall'Office of the Under Secretary of Defense for Research and Engineering del Dipartimento della Difesa statunitense, con supporto aggiuntivo da un grant iniziale dell'Università dell'Iowa attraverso il programma P3. Il coinvolgimento militare sottolinea l'importanza strategica delle comunicazioni quantistiche sicure per applicazioni di difesa e intelligence.
Essendo uno studio puramente teorico, il prossimo passo cruciale sarà la verifica sperimentale. I ricercatori stanno progettando esperimenti per testare se il controllo laser ultra-preciso previsto dal modello matematico possa essere effettivamente realizzato in laboratorio. Se confermata, la tecnica potrebbe accelerare significativamente lo sviluppo di computer quantistici fotonici scalabili e reti di comunicazione quantistica a lungo raggio, trasformando quello che per decenni è stato considerato un limite fisico in una risorsa tecnica sfruttabile.
