La fisica quantistica della luce sta attraversando una fase di maturazione accelerata, in cui la capacità di modellare i fotoni non si limita più alle proprietà tradizionali come la polarizzazione, ma si estende alla geometria spaziale, alla distribuzione temporale e allo spettro di frequenza. Un gruppo internazionale di ricercatori guidato dall'Università del Witwatersrand (Sudafrica) e dall'Universitat Autònoma de Barcelona ha pubblicato su Nature Photonics una rassegna sistematica dei progressi ottenuti nella creazione, nel controllo e nella misurazione di stati quantistici strutturati della luce. Il lavoro fotografa un campo in rapida evoluzione e traccia la traiettoria verso applicazioni concrete nella comunicazione quantistica ad alta capacità, nell'imaging e nella sensoristica di precisione.
Al centro della ricerca vi è il concetto di fotone strutturato: una particella di luce il cui stato quantistico viene ingegnerizzato deliberatamente agendo simultaneamente su più gradi di libertà. Intervenendo sul pattern spaziale del fotone, sul suo profilo temporale e sul suo spettro, i fisici possono costruire stati ad alta dimensionalità che codificano quantità di informazione significativamente superiori rispetto ai sistemi a due livelli tradizionali, come i qubit basati sulla polarizzazione. Questa capacità di utilizzare alfabeti di codifica ad alta dimensionalità si traduce in una maggiore densità informativa per singolo fotone e in una resistenza più robusta al rumore e alle interferenze esterne.
Il professor Andrew Forbes dell'Università del Witwatersrand, autore corrispondente dello studio, descrive la trasformazione degli ultimi due decenni come particolarmente significativa dal punto di vista degli strumenti disponibili ai ricercatori. "Venti anni fa, il toolkit per manipolare gli stati quantistici strutturati era praticamente vuoto. Oggi disponiamo di sorgenti integrate su chip di luce quantistica strutturata, compatte ed efficienti, capaci di creare e controllare stati quantistici", ha dichiarato Forbes. Tra le metodologie ora disponibili, la rassegna evidenzia la fotonica integrata su chip, l'ottica non lineare e la conversione di luce multistadio come pilastri tecnologici che stanno traghettando questi sistemi dai laboratori di ricerca verso implementazioni pratiche.
Uno degli ambiti di applicazione più promettenti riguarda le reti di comunicazione quantistica. I fotoni strutturati possono trasportare informazioni attraverso canali multipli simultanei, aumentando la capacità trasmissiva complessiva dei sistemi. Tuttavia, la ricerca si confronta con un limite non banale: i canali di comunicazione reali, in particolare le fibre ottiche standard e i percorsi in spazio libero, non sono ottimizzati per preservare le strutture spaziali complesse dei fotoni su lunghe distanze.
Per affrontare questo ostacolo, i ricercatori stanno esplorando l'incorporazione di proprietà topologiche negli stati quantistici. La topologia, in questo contesto, si riferisce a caratteristiche dello stato quantistico che rimangono invariate sotto perturbazioni continue: una sorta di "robustezza geometrica" dell'informazione codificata. Forbes e il suo gruppo hanno recentemente dimostrato che le funzioni d'onda quantistiche possiedono una naturale predisposizione a sviluppare proprietà topologiche, il che potrebbe consentire la preservazione dell'informazione quantistica anche in presenza di entanglement fragile o soggetto a decadimento ambientale.
La rassegna su Nature Photonics mappa anche i progressi nell'entanglement multidimensionale, in cui due o più fotoni risultano crrelati in maniera non locale su più gradi di libertà contemporaneamente. A questo si aggiunge lo sviluppo della strutturazione temporale ultraveloce dei pacchetti di luce, che apre la possibilità di codificare informazioni nella dimensione temporale con risoluzioni nell'ordine dei femtosecondi. Le tecniche di rivelazione non lineare avanzate, unitamente ai dispositivi miniaturizzati su chip, permettono poi di generare ed elaborare stati quantistici di dimensionalità superiore rispetto a quanto fosse possibile solo pochi anni fa.
Le implicazioni per l'imaging quantistico ad alta risoluzione e per la metrologia quantistica sono concrete: sistemi basati su fotoni strutturati potrebbero consentire misurazioni con una precisione che supera i limiti c, dispositivi di imaging quantisticolassici imposti dal rumore quantistico, con ricadute in diagnostica medica avanzata, geodesia e navigazione inerziale. Sul fronte delle reti quantistiche, la possibilità di trasmettere informazioni attraverso canali multipli interconnessi potrebbe moltiplicare la capacità di futuri sistemi di comunicazione a sicurezza garantita dalle leggi della fisica.
Le sfide ancora aperte restano numerose. Aumentare la dimensionalità degli stati senza degradarne la coerenza, incrementare la frequenza di generazione dei fotoni strutturati e progettare stati quantistici in grado di resistere alle condizioni ottiche realistiche degli ambienti operativi sono i tre fronti su cui si concentrerà la ricerca nei prossimi anni. La questione di fondo rimane capire fino a quale distanza e in quali condizioni ambientali i fotoni strutturati possano mantenere la propria coerenza quantistica, un problema che richiede tanto avanzamenti teorici quanto innovazioni ingegneristiche nei materiali e nelle architetture dei dispositivi footonici.
