Comunicazione quantistica rivoluzionaria a lunga distanza con fibre a nucleo cavo

Le compagnie di telecomunicazioni usano fibre ottiche per inviare luce su lunghe distanze sia per comunicazioni classiche che quantistiche. Le fibre tradizionali hanno nuclei solidi, ma ci sono nuovi tipi chiamati fibre a nucleo vuoto (HCF) disponibili. Le HCF mostrano proprietà interessanti di guida della luce che le rendono vantaggiose per la comunicazione.

Questo articolo parla di come siamo riusciti a trasmettere Fotoni intrecciati attraverso una fibra a nucleo vuoto a lunga distanza (7,7 km). Questo traguardo segna un significativo avanzamento perché è il primo trasferimento riuscito di particelle intrecciate attraverso una struttura così lunga. I vantaggi di questo nuovo metodo includono ritardi ridotti e meno dispersione dei segnali luminosi.

#Contesto

Le tecnologie quantistiche, inclusa la comunicazione e il calcolo, stanno progredendo rapidamente. L'allestimento di reti quantistiche su larga scala sta diventando più comune. Per far funzionare queste reti, è necessario condividere stati quantistici di luce tra luoghi lontani utilizzando fibre ottiche.

I protocolli quantistici, come la distribuzione quantistica della chiave (QKD) e il lancio della moneta quantistica, necessitano di fibre ottiche con basse perdite per essere efficaci. Le fibre ottiche regolari, in particolare quelle progettate per l'uso nelle telecomunicazioni, funzionano meglio in un certo intervallo di lunghezze d'onda. La banda C delle telecomunicazioni è particolarmente efficiente per la trasmissione dei segnali, rendendola la scelta preferita per le attività di comunicazione quantistica.

Tuttavia, molti dispositivi quantistici operano naturalmente al di fuori di questo intervallo ottimale. Di conseguenza, gli scienziati stanno trovando modi per modificare come questi dispositivi funzionano, rendendoli adatti per l'uso nella banda C delle telecomunicazioni.

#L'Esperimento

Per il nostro esperimento, abbiamo utilizzato un tipo specifico di fibra a nucleo vuoto chiamata fibra nido anti-risonante senza nodo (NANF). Questa particolare fibra consiste di due parti, che sono state combinate per creare la lunghezza di 7,7 km di cui avevamo bisogno.

Le fibre a nucleo vuoto possono essere progettate in modi che le fibre a nucleo solido non possono, consentendo una migliore trasmissione della luce e minori perdite. Il nucleo riempito d'aria delle HCF consente alla luce di muoversi a velocità quasi uguali a quella della luce in un vuoto. Questo progresso porta a comunicazioni più veloci con ritardi molto bassi.

Una caratteristica notevole delle HCF è la bassa Dispersione cromatica, il che significa che la dispersione dei segnali luminosi mentre viaggiano è minimizzata. Per il nostro esperimento, abbiamo misurato quanto bene i fotoni intrecciati potessero viaggiare attraverso le HCF rispetto alle fibre a nucleo solido tradizionali, guardando in particolare a come il tempo necessario per trasmettere il segnale influisce sulla qualità dell'intreccio.

#Impostazione dell'Esperimento

Abbiamo generato coppie di fotoni intrecciati in polarizzazione. Uno di questi fotoni è stato trasformato in un qubit a binario temporale, che rappresenta informazioni nel tempo piuttosto che nella polarizzazione. Dopodiché, questo qubit a binario temporale è stato trasmesso attraverso HCF o una fibra a nucleo solido.

Convertendo il qubit a binario temporale di nuovo in polarizzazione alla fine della fibra, abbiamo potuto valutare l'efficacia della trasmissione e misurare la qualità dell'intreccio. La nostra configurazione prevedeva l'uso di vari componenti ottici, come divisori di fascio e piastre d'onda, per gestire efficacemente i segnali luminosi.

Avendo due fotoni intrecciati, abbiamo monitorato i loro tempi di arrivo dopo aver viaggiato attraverso la fibra a nucleo vuoto o la fibra a nucleo solido. Questo ci ha permesso di confrontare la Latenza, ovvero il ritardo, dei due metodi.

#Misurazioni della Latenza

Abbiamo scoperto che quando i fotoni viaggiavano attraverso l'HCF, arrivavano prima rispetto a quando viaggiavano attraverso la fibra a nucleo solido convenzionale. La riduzione della latenza è vantaggiosa per qualsiasi sistema di comunicazione, specialmente nelle tecnologie quantistiche, dove il tempismo è cruciale per una riuscita trasmissione del segnale.

Abbiamo anche notato che i segnali trasmessi attraverso HCF mantenevano meglio la loro chiarezza rispetto a quelli delle fibre a nucleo solido. I picchi distintivi osservati nei tempi di arrivo dimostravano che l'HCF preservava l'integrità dei segnali luminosi. Questa qualità è essenziale per funzioni come la distribuzione quantistica della chiave, dove il tempismo e la chiarezza influenzano direttamente la sicurezza.

#Qualità dell'Entanglement

Per esaminare quanto bene potessimo distribuire gli stati intrecciati attraverso l'HCF, abbiamo studiato lo stato dei fotoni dopo che erano passati attraverso la fibra. Questo comportava l'uso di una tecnica chiamata tomografia dello stato quantistico, che aiuta a ricostruire lo stato intrecciato e a misurare la sua purezza e concorrenza.

Durante le nostre valutazioni, abbiamo notato che mentre c'era una leggera riduzione nella qualità dello stato intrecciato dopo che i fotoni passavano attraverso l'HCF, era comunque significativamente migliore di quella ottenuta utilizzando una fibra a nucleo solido. Le differenze nelle prestazioni sono state attribuite a lievi imperfezioni nella trasmissione e alle caratteristiche specifiche delle fibre.

Abbiamo anche esaminato come i cambiamenti nella spaziatura dei binari temporali influenzassero la qualità dello stato intrecciato. È diventato chiaro che l'HCF superava le fibre a nucleo solido quando si trattava di spaziature di binari temporali più piccole. I segnali inviati tramite HCF potevano mantenere le loro proprietà intrecciate più a lungo rispetto a quelli inviati tramite fibre a nucleo solido.

#Sovrapposizione dei Binari Temporali

Una delle principali sfide che abbiamo affrontato è stata il problema della sovrapposizione dei binari temporali. Man mano che la spaziatura dei binari temporali diminuisce, i segnali possono cominciare a mescolarsi, rendendo difficile distinguerli. Abbiamo scoperto che l'HCF poteva mantenere i binari temporali separati per spaziature più piccole rispetto alle fibre a nucleo solido, grazie alle sue proprietà di dispersione più basse.

Con le nostre scoperte, abbiamo confermato che, man mano che i binari temporali si sovrapponevano, potevamo misurare una qualità ridotta in termini di purezza e concorrenza. Tuttavia, l'HCF rimaneva superiore anche in queste condizioni difficili.

#Conclusione

In sintesi, abbiamo dimostrato che trasmettere fotoni intrecciati attraverso una fibra a nucleo vuoto su una distanza di 7,7 km è possibile ed efficace. Questo avanzamento offre risultati promettenti per i futuri sistemi di comunicazione quantistica. I risultati indicano che l'HCF possiede vantaggi intrinseci come latenza ridotta e minore dispersione, entrambi critici per mantenere alta qualità nella trasmissione dei segnali nelle tecnologie quantistiche.

Con il proseguimento della ricerca sulle fibre a nucleo vuoto, possiamo aspettarci nuove applicazioni e miglioramenti nel campo della comunicazione quantistica. Il potenziale per ulteriori ottimizzazioni suggerisce che le HCF potrebbero alla fine diventare il pilastro di reti quantistiche robuste, consentendo comunicazioni sicure ed efficienti su larga scala.

#Direzioni Future

Siamo ansiosi di indagare ulteriormente le capacità delle fibre a nucleo vuoto ed esplorare le loro applicazioni in altre tecnologie quantistiche. Raffinando le nostre tecniche e strumenti, miriamo a spingere i limiti di ciò che le fibre a nucleo vuoto possono realizzare nel campo della comunicazione quantistica.

A lungo termine, l'integrazione delle HCF in un'ampia gamma di protocolli quantistici potrebbe portare a significativi miglioramenti nelle prestazioni e nella sicurezza, aprendo la strada alla loro adozione in sistemi quantistici commerciali ed esperimentali.