I collegamenti di comunicazione quantistica richiedono un tocco delicato anche su distanze relativamente brevi, non importa attraverso i continenti. Eppure, questa è proprio la sfida raccolta da Li Qian dell’Università di Toronto e dai suoi collaboratori.
Li Qian fa parte di un team internazionale di ricercatori in Canada e in Europa che sviluppa un progetto per la futura tecnologia di collegamento quantistico basata su satellite. Illustrazione di Matthew Tierney
L’impresa internazionale triennale HyperSpace è una delle più grandi collaborazioni mai realizzate dalla comunità quantistica canadese.
Riunisce ricercatori di cinque paesi, tra cui partner della U of T, dell’Università di Waterloo, dell’Institut national de la recherche scientifique del Quebec e di diverse istituzioni europee.
“La creazione di un collegamento quantistico su distanze così grandi coinvolgerà i satelliti. Invieremo a terra un paio di fotoni dall’orbita terrestre. È piuttosto una sfida e richiede varie aree di competenza”, afferma Qian, professore di fotonica presso il dipartimento di ingegneria elettrica e informatica di Edward S. Rogers Sr. presso la Facoltà di scienze applicate e ingegneria.
Alla U of T, Qian sta lavorando con Giovanni Sipiprofessore nel dipartimento della Facoltà di Arti e Scienze la cui ricerca si concentra sull’ottica quantistica e sulla fisica della materia condensata.
“Il nostro obiettivo è dimostrare la fattibilità della tecnologia”, afferma Sipe. “Attraversando gli alti e bassi di una missione satellitare che integri le esigenze uniche della comunicazione quantistica, avremo un solido progetto in atto. In definitiva, HyperSpace mira a rendere le applicazioni quantistiche attraenti e realistiche nel prossimo futuro”.
Una di queste applicazioni è la crittografia quantistica che è virtualmente infrangibile durante la trasmissione e offre una protezione di gran lunga migliore rispetto alla sua controparte classica. Sebbene la fibra ottica possa essere utilizzata per la crittografia quantistica a corto raggio, la tecnologia è attualmente limitata a brevi distanze perché i fotoni si disperdono inevitabilmente nella fibra ottica dopo circa 100 chilometri, degradando la trasmissione.
Mentre i semplici amplificatori possono potenziare il segnale di trasmissione nelle comunicazioni in fibra ottica classiche, l’equivalente quantistico di questi amplificatori, chiamato ripetitori quantistici, è ancora nelle prime fasi di sviluppo.
“Ecco perché la fibra ottica con messa a terra non è più fattibile se si desidera condividere le chiavi quantistiche tra Toronto e Berlino, ad esempio”, afferma Qian.
“Un satellite quantistico è un modo per superare le sfide associate a questa distanza molto grande. Un tale satellite sarebbe anche necessario un giorno per il calcolo quantistico distribuito o per un Internet quantistico».
Il ruolo di Qian nel progetto di progettazione dell’architettura della missione di HyperSpace è quello di sviluppare la sorgente di fotoni nello spazio ea terra. I fotoni trasmessi devono essere legati a un fotone partner, un fenomeno quantistico chiamato entanglement. Quando misuri un fotone entangled, non importa quanto lontano possa aver viaggiato, sai immediatamente che il suo partner condivide la stessa proprietà misurata. Questo strano comportamento delle particelle nel regno quantico consente la straordinaria capacità di elaborazione delle informazioni promessa dal calcolo quantistico.
Poiché quasi tutti i fotoni inviati attraverso l’atmosfera saranno dispersi o assorbiti – se l’apertura del telescopio non li diffrande prima – Qian ha bisogno di far contare i pochissimi fotoni che raggiungeranno la destinazione.
“I fotoni possono essere entangled in più modi, in più gradi di libertà, e quindi trasportare più informazioni”, dice.
“Quindi vogliamo entangle non solo nella polarizzazione, ma anche nella frequenza – in teoria, potrebbe arrivare fino a cento colori – o nel dominio temporale. Chiamiamo questo iperentanglement.
Prima di trasmettere i fotoni entangled, è necessario allineare i telescopi a terra e nel satellite, quindi il team di HyperSpace sta progettando i sistemi ottici necessari per farlo con intense luci faro. Il satellite seguirà la curvatura terrestre alla velocità orbitale, il che rende la tolleranza angolare molto stretta, con poco margine di errore.
Una volta raggiunto l’allineamento, il faro verrà spento e un fotone entangled verrà lanciato nel canale quantico verso il satellite. Questa procedura deve essere eseguita di notte per mitigare l’interferenza della luce solare. Anche così, la copertura nuvolosa, l’atmosfera, la turbolenza e le distorsioni continueranno ad avere un effetto dannoso.
“Un vantaggio di progetti come questi, di cui non credo si parli abbastanza, è il semplice fatto che forniscono un obiettivo comune”, afferma Qian. “L’intero processo di ricerca – far lavorare insieme menti di alto livello e generare nuove idee – andrà a beneficio della società in qualche modo. Potresti ritrovarti con una tecnologia che può essere utilizzata in altre aree. Forse la fonte su cui sto lavorando non sarà usata per il satellite ma per qualcos’altro, come l’imaging medico.
“Alla fine, è eccitante. Incontri collaboratori che la pensano allo stesso modo, impari cosa stanno facendo, impari gli uni dagli altri. Questo diventa parte della storia di successo.
Fonte: Università di Toronto
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
