An optical fiber cable. Credit: Ivan Bajic/ E+/ Getty Images.
La trasmissione di segnali su lunghe distanze è una delle grandi sfide della comunicazione quantistica. La strategia più comune finora si basa sull'uso di ripetitori quantistici, che funzionano sfruttando un fenomeno complesso chiamato entanglement, anziché copiare e incollare il segnale come farebbe un ripetitore radio classico.
I ripetitori quantistici sono estremamente costosi da costruire, e finora il loro utilizzo è stato dimostrato solo nell'ambiente protetto dei laboratori, dove si possono garantire temperature abbastanza basse e le giuste condizioni di isolamento.
Ora un gruppo guidato da Vittorio Giovannetti della Scuola Normale Superiore (SNS) di Pisa ha proposto un approccio alternativo, o complementare, che sfrutta gli effetti di memoria di una fibra ottica per migliorarne le prestazioni. Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters1.
"Il protocollo che proponiamo si basa sull'idea che l'ambiente in cui si propagano i segnali quantistici e con cui essi interagiscono può essere modificato dai segnali stessi, in modo per noi vantaggioso", spiega Giovannetti. "In altre parole, possiamo sfruttare proprio la caratteristica che ostacola la comunicazione lungo una fibra ottica".
"Si può immaginare l'ambiente come formato da due componenti", spiega Ludovico Lami, professore all'Università di Amsterdam e autore dello studio. La prima è una componente locale, il rivestimento del cavo, che interagisce più strettamente con i segnali. La seconda è una componente globale, che interagisce con i segnali solo attraverso l'ambiente locale. "Potrebbe essere il mezzo in cui il cavo è immerso, ad esempio l'oceano".
Nel 2020 Giovannetti. Lami e altri ricercatori hanno dimostrato che esistono stati particolari dell'ambiente locale che possono innescare un fenomeno che hanno chiamato comunicazione quantistica "die hard"2. In questo regime, la fibra ottica può essere quasi priva di rumore e presentare un'elevata capacità di trasmissione, che è il rapporto tra il numero di qubit che possono essere inviati attraverso la fibra e il numero di volte che la fibra viene utilizzata.
Nel nuovo studio, gli autori hanno ideato un protocollo in grado di portare l'ambiente locale sufficientemente vicino a questi stati particolari, in modo da ottenere un regime quasi privo di rumore, spiega Francesco Anna Mele, dottorando presso la Scuola Normale Superiore e primo autore dello studio. "Prima di inviare il segnale che codifica l'informazione vera e propria, si dovrebbe inviare una sequenza di segnali non portatori di informazione", spiega. "Questo dovrebbe permettere di effettuare una comunicazione quantistica anche se la trasmissività è molto bassa". Per quanto questo sia controintuitivo, i ricercatori hanno scoperto che il numero di segnali di attivazione necessari diminuisce all'aumentare della lunghezza della fibra. "Nel caso di una fibra arbitrariamente lunga, sono sufficienti due segnali di attivazione per ottenere il risultato", spiega Mele.
È fondamentale che i segnali di attivazione siano inviati a intervalli di tempo molto brevi, altrimenti l'effetto memoria dell'ambiente locale verrebbe annullato dall'interazione termica con l'ambiente più ampio in cui la fibra è immersa.
"Il protocollo proposto è molto interessante perché richiama l'attenzione su aspetti inediti della preparazione dinamica del canale da utilizzare per le comunicazioni quantistiche", afferma Paolo Villoresi, direttore del Centro di Ricerca sulle Tecnologie Quantistiche dell'Università di Padova.
