Volare Qudit: Sbloccare Nuove Dimensioni della Comunicazione Quantistica

Figura 1. Il fotone del segnale, manipolato dal circuito fotonico integrato, crea un qudit 4D rappresentato dall'insieme di sfere arancioni. Nel frattempo, il fotone idler, rappresentato dalla sfera blu, agisce come telecomando per il fotone del segnale. Credito: Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge e Liang Feng, modificato

Ricercatori hanno sviluppato un metodo rivoluzionario per la trasmissione di informazioni quantistiche utilizzando particelle di luce chiamate qudit, che sfruttano la modalità spaziale e le proprietà di polarizzazione per consentire un trasferimento di dati più veloce, più sicuro e con una maggiore resistenza agli errori.

Questa tecnologia potrebbe migliorare notevolmente le capacità di un internet quantistico, fornendo comunicazioni sicure a lunga distanza e portando allo sviluppo di potenti computer quantistici e crittografia inespugnabile.

Gli scienziati hanno fatto un significativo passo avanti nella creazione di un nuovo metodo per trasmettere informazioni quantistiche utilizzando particelle di luce chiamate qudit. Questi qudit promettono un futuro internet quantistico che sia sia sicuro che potente.

Tradizionalmente, le informazioni quantistiche sono codificate sui qubit, che possono esistere in uno stato di 0, 1 o entrambi contemporaneamente (sovrapposizione). Questa qualità li rende ideali per calcoli complessi, ma limita la quantità di dati che possono trasportare in comunicazione. Al contrario, i qudit possono codificare informazioni in dimensioni superiori, trasmettendo più dati in un'unica volta.

I qubit e i qudit sono entrambe unità di informazione quantistica, ma differiscono principalmente nella loro capacità di contenere informazioni. Un qubit, l'unità di base utilizzata nel calcolo quantistico, può esistere contemporaneamente in due stati grazie alla sovrapposizione quantistica, tipicamente rappresentata come 0 e 1, come i bit nell'informatica classica. Questo gli consente di eseguire calcoli complessi più efficientemente rispetto ai bit classici.

I qudit, d'altra parte, sono una generalizzazione dei qubit e possono esistere simultaneamente in d stati, dove d > 2. Questa maggiore dimensionalità consente ai qudit di contenere più informazioni rispetto ai qubit, portando potenzialmente a una elaborazione e comunicazione dei dati più efficiente nei sistemi quantistici, poiché possono eseguire operazioni che richiederebbero più qubit con meno qudit, aumentando l'efficienza e riducendo la complessità negli algoritmi quantistici.

La nuova tecnica sfrutta due proprietà della luce - modalità spaziale e polarizzazione - per creare qudit a quattro dimensioni. Questi qudit sono costruiti su uno speciale chip che consente una manipolazione precisa. Questa manipolazione si traduce in tassi di trasferimento dei dati più veloci e una maggiore resistenza agli errori rispetto ai metodi convenzionali.

Uno dei principali vantaggi di questo approccio è la capacità dei qudit di mantenere le loro proprietà quantistiche su lunghe distanze. Questo li rende perfetti per applicazioni come la comunicazione quantistica basata su satelliti, dove i dati devono viaggiare su grandi distanze senza perdere la loro integrità.

Figura 2. (a) Le matrici di densità di due stati quantistici selezionati recuperate sperimentalmente (fila superiore) e teoricamente previste (fila inferiore). (b) Matrice di probabilità di rilevamento teoricamente (pannello sinistro) e sperimentalmente recuperata (pannello destro). Credito: Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge e Liang Feng

Il processo inizia con la generazione di uno stato entangled speciale utilizzando due fotoni. L’entanglement è un fenomeno in cui due particelle diventano collegate, condividendo lo stesso destino indipendentemente dalla separazione fisica. In questo caso, un fotone (il fotone del segnale) viene manipolato sul chip per creare un qudit 4D utilizzando la sua modalità spaziale e polarizzazione. L'altro fotone (fotone idler) rimane inalterato e funge da telecomando per il fotone del segnale (Fig. 1).

Manipolando il fotone idler, gli scienziati possono controllare lo stato del fotone del segnale e codificare informazioni su di esso (Fig. 2).

Questo nuovo metodo ha il potenziale per rivoluzionare il campo della comunicazione quantistica. Spiana la strada a un internet quantistico ad alta velocità capace di trasmettere enormi quantità di dati in modo sicuro su lunghe distanze. Inoltre, può portare allo sviluppo di protocolli di crittografia inespugnabili e contribuire alla creazione di potenti computer quantistici in grado di affrontare problemi al di là delle capacità dei computer classici.

I ricercatori si stanno attualmente concentrando sul miglioramento della precisione dei qudit e sulla scalabilità della tecnologia per gestire dimensioni ancora maggiori. Credono che questo approccio abbia il potenziale per rivoluzionare la comunicazione quantistica.