Avanzamenti nelle reti quantistiche grazie all'interferenza dei fotoni

L'interferenza dei fotoni è un fenomeno affascinante che si verifica quando due fasci di luce si sovrappongono, creando dei modelli che mostrano come si comporta la luce. Questo concetto è fondamentale nel mondo del networking quantistico, che punta a collegare sistemi quantistici, come i computer quantistici, su lunghe distanze. Un tipo specifico di interferenza, noto come Interferenza di Hong-Ou-Mandel, è cruciale quando si cerca di inviare informazioni quantistiche, come connessioni intrecciate o chiavi sicure, attraverso le fibre ottiche.

Le fibre ottiche sono usate moltissimo per le comunicazioni perché permettono alla luce di viaggiare con perdite minime. Queste fibre trasportano sia segnali classici, come quelli usati nelle connessioni internet normali, che segnali quantistici, che portano informazioni quantistiche. La sfida sta nel sincronizzare questi segnali, specialmente quando le fonti che generano i fotoni sono lontane.

#La Sfida di Sincronizzare le Fonti di Fotoni

Per ottenere un'efficace interferenza fotone-fotone, è fondamentale che le fonti di fotoni siano sincronizzate. Quando due fotoni arrivano a uno beam splitter nello stesso momento, può avvenire l'interferenza, aumentando le possibilità di comunicazione riuscita. Tuttavia, sincronizzare queste fonti su lunghe distanze può essere complicato da vari fattori, come le diverse velocità con cui la luce viaggia in vari mezzi e i ritardi causati dall'attrezzatura utilizzata.

Un approccio promettente per la sincronizzazione è usare un orologio ottico che consente di temporizzare con precisione la generazione dei fotoni. Utilizzando un canale di comunicazione classico coesistente all'interno della stessa Fibra Ottica, possiamo mantenere questi orologi atomici in sincronia. Con questo sistema, gli obiettivi di ottenere interferenza fotone-fotone e consentire la distribuzione di entanglement su lunghe distanze diventano più fattibili.

#Ottenere l'Interferenza di Hong-Ou-Mandel

Nei nostri esperimenti, abbiamo dimostrato l'effetto Hong-Ou-Mandel utilizzando due fonti di fotoni: uno stato coerente debole (WCS) e una sorgente di singolo fotone annunciata. La WCS è creata riducendo l'intensità di un laser, rendendola paragonabile a un singolo fotone, mentre la sorgente di singolo fotone annunciato fornisce un vero singolo fotone. Quando queste due sorgenti di luce vengono inviate a uno beam splitter, si può osservare il modello di interferenza.

Attraverso l'esperimento, abbiamo ottenuto una visibilità significativa nel modello di interferenza, indicando un comportamento non classico. Questa visibilità è una misura di quanto bene i fotoni si siano comportati durante l'interferenza, e una alta visibilità è essenziale per un networking quantistico di successo.

#Impostare l'Esperimento

Il nostro esperimento comprendeva diversi componenti. Prima di tutto, abbiamo usato una sorgente di singolo fotone annunciato basata su una guida d'onda speciale che genera coppie di fotoni. Uno di questi fotoni agisce come segnale, mentre l'altro è l'annuncio, avvisandoci che un singolo fotone è pronto. Questa sorgente di singolo fotone annunciato è integrata in un sistema più grande che gestisce la sincronizzazione dei segnali dell'orologio.

Dispositivi ottici sono stati utilizzati per filtrare e controllare la polarizzazione della luce per garantire che i fotoni abbiano caratteristiche indistinguibili. Questa corrispondenza è cruciale per ottenere alta visibilità nei modelli di interferenza.

Durante l'esperimento, abbiamo regolato il tempo tra queste due sorgenti di fotoni per massimizzare la loro sovrapposizione allo beam splitter. Misurando le coincidenze, o rilevamenti simultanei, tra le porte di uscita dello beam splitter, abbiamo mostrato quanto bene funzionasse l'interferenza.

#Il Ruolo della Comunicazione Classica

La comunicazione classica nel nostro setup ha molteplici scopi. Aiuta a sincronizzare gli orologi e garantire che sia le WCS che le sorgenti di singolo fotone annunciato siano correttamente allineate nel tempo. Utilizzando sistemi di misurazione commercialmente disponibili, abbiamo collegato transceiver SFP (small form-factor pluggable) che hanno abilitato trasferimenti di dati ad alta velocità insieme ai segnali quantistici.

Inviando un segnale di orologio classico attraverso la stessa fibra dei segnali quantistici, abbiamo minimizzato i costi aggiuntivi e fatto un uso efficiente dell'infrastruttura in fibra ottica. Questa coesistenza di segnali classici e quantistici è un passo avanti poiché riduce la necessità di fibre aggiuntive e consente una rete più scalabile.

#Mitigare i Problemi con la Diffusione Raman Spontanea

Quando si trattano segnali ottici nelle fibre, bisogna considerare la diffusione Raman spontanea, che può degradare la qualità dei segnali. Questa diffusione si verifica quando la luce interagisce con il materiale della fibra, creando ulteriore rumore che può interferire con i segnali quantistici.

Per combattere questo problema, abbiamo selezionato con cura le lunghezze d'onda utilizzate sia per l'orologio classico che per i canali quantistici. Scegliendo lunghezze d'onda che minimizzano l'interazione con il materiale della fibra, siamo riusciti a ridurre l'impatto della diffusione Raman spontanea sui nostri segnali quantistici, garantendo al contempo una consegna affidabile del segnale dell'orologio.

#Risultati Sperimentali

In uno dei nostri esperimenti chiave, abbiamo inviato uno stato coerente debole e il singolo fotone annunciato attraverso 4,3 chilometri di fibra dispiegata. Utilizzando il segnale dell'orologio coesistente, abbiamo generato con successo l'interferenza di Hong-Ou-Mandel. Durante l'esperimento, abbiamo ottenuto intuizioni su quanto bene i nostri metodi di sincronizzazione abbiano funzionato anche con il traffico classico esterno nella fibra.

La visibilità dell'interferenza osservata è stata notevole. Abbiamo scoperto che, sebbene la presenza del segnale classico influenzasse il segnale quantistico, siamo comunque riusciti a ottenere un'adeguata allineamento per osservare modelli di interferenza non classica. Questo ha indicato che il nostro metodo di utilizzare un segnale dell'orologio coesistente ha funzionato efficacemente per il networking quantistico.

#Scalabilità e Lavori Futuri

Il potenziale per il networking quantistico è vasto, e man mano che la tecnologia migliora, ci aspettiamo di vedere sistemi più sofisticati collaborare. I transceiver utilizzati nei nostri esperimenti erano disponibili commercialmente, il che significa che possono essere facilmente integrati nell'infrastruttura esistente. Man mano che facciamo progressi, esploreremo transceiver più veloci per ridurre ulteriormente il jitter temporale nel nostro sistema, migliorando così le prestazioni.

Inoltre, ottimizzare le tecniche di filtraggio e le forme d'impulso coinvolte nei nostri esperimenti potrebbe portare a una visibilità aumentata in futuro. Questo lavoro apre la porta a sistemi di comunicazione quantistica più affidabili e pratici che possono funzionare accanto ai sistemi di comunicazione tradizionali.

#Conclusione

Il lavoro che abbiamo presentato sottolinea l'importanza della sincronizzazione e della cooperazione tra segnali classici e quantistici nelle fibre ottiche. Dimostrando con successo l'interferenza di Hong-Ou-Mandel con segnali classici coesistenti, abbiamo fatto un passo significativo verso la costruzione di una rete quantistica scalabile utilizzando infrastrutture in fibra esistenti.

Andando avanti, continueremo a perfezionare le nostre tecniche ed esploreremo come possono essere applicate in contesti più ampi, aprendo la strada a reti quantistiche che possano supportare varie applicazioni, dal calcolo quantistico alle comunicazioni sicure. Il futuro del networking quantistico appare promettente e gli sviluppi effettuati contribuiranno sicuramente alla sua crescita.