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La fotonica quantistica integrata (IQP) è una piattaforma promettente per la realizzazione di un'elaborazione delle informazioni quantistiche scalabile e pratica. Fino ad ora, la maggior parte delle dimostrazioni con IQP si concentrano sul miglioramento della stabilità, della qualità e della complessità degli esperimenti per piattaforme tradizionali basate su elementi di massa e fibra ottica. Una domanda più impegnativa è: "Ci sono esperimenti possibili con IQP che sono impossibili con la tecnologia tradizionale?"
A questa domanda ha risposto affermativamente un team guidato congiuntamente da Xiao-Song Ma e Labao Zhang dell'Università di Nanchino e Xinlun Cai dell'Università di Sun Yat-sen, in Cina. Come riportato in Advanced Photonics, il team ha realizzato la comunicazione quantistica utilizzando un chip basato sulla fotonica del silicio con un rivelatore a singolo fotone nanofilo superconduttore (SNSPD). Le eccellenti prestazioni di questo chip consentono loro di realizzare una misurazione ottimale dello stato di Bell time-bin e di migliorare significativamente la velocità chiave nella comunicazione quantistica.
Il rivelatore a singolo fotone è un elemento chiave per la distribuzione quantistica delle chiavi (QKD) e altamente desiderabile per l'integrazione di chip fotonici per realizzare reti quantistiche pratiche e scalabili. Sfruttando l'esclusiva funzione ad alta velocità dell'SNSPD integrato nella guida d'onda ottica, il tempo morto del rilevamento di un singolo fotone è ridotto di oltre un ordine di grandezza rispetto al tradizionale SNSPD ad incidenza normale. Questo a sua volta consente al team di risolvere una delle sfide di lunga data nell'ottica quantistica: la misurazione ottimale dello stato di Bell dei qubit codificati nel contenitore del tempo.
Questo progresso è importante non solo per il campo dell'ottica quantistica da una prospettiva fondamentale, ma anche per le comunicazioni quantistiche dal punto di vista applicativo. Sfruttando i vantaggi di questo sistema eterogeneamente integrato, il team ha ottenuto un'elevata frequenza di chiave sicura con una frequenza di clock di 125 MHz. "In contrasto con gli esperimenti MDI-QKD con frequenza di clock GHz, il nostro sistema non richiede una complicata tecnica di blocco dell'iniezione, che riduce significativamente la complessità del trasmettitore", afferma Xiaodong Zheng, dottorando nel gruppo di Ma e primo autore dell'articolo Advanced Photonics.
"Questo lavoro dimostra che i chip quantistico-fotonici integrati forniscono non solo un percorso verso la miniaturizzazione, ma migliorano anche significativamente le prestazioni del sistema rispetto alle piattaforme tradizionali. In combinazione con i trasmettitori QKD integrati, una rete quantistica metropolitana completamente basata su chip, scalabile e ad alta velocità di chiave dovrebbe essere realizzata nel prossimo futuro", afferma Ma.