Fotonica Quantistica a Lunga Distanza: Abbiamo Infranto la Barriera con Fotoni Sincronizzati!

Ragazzi, preparatevi perché quello di cui vi parlerò oggi ha del rivoluzionario! Immaginate di poter comunicare in modo ultra-sicuro su distanze enormi, sfruttando le bizzarre ma potentissime leggi della meccanica quantistica. Ecco, noi ci stiamo lavorando sodo e abbiamo appena fatto un passo da gigante in questa direzione, dimostrando sperimentalmente la comunicazione quantistica a lunga distanza con sorgenti indipendenti di singoli fotoni annunciati. Sembra un titolo da film di fantascienza, vero? Eppure, è la pura realtà del nostro laboratorio!

Il Cuore del Problema: Fotoni Indistinguibili e il Fastidioso Jitter Temporale

Al centro di molte diavolerie quantistiche come il teletrasporto quantistico, lo swapping di entanglement e, soprattutto, la distribuzione di chiavi quantistiche indipendente dal dispositivo di misurazione (MDI-QKD), c’è un fenomeno chiamato interferenza di Hong-Ou-Mandel (HOM). Per farla semplice, questo effetto si verifica quando due fotoni perfettamente identici (indistinguibili, diciamo noi) arrivano contemporaneamente su un divisore di fascio. Se sono davvero indistinguibili, fanno una cosa strana: escono sempre insieme dalla stessa porta del divisore.

La vera sfida? Produrre singoli fotoni che rimangano indistinguibili anche dopo aver viaggiato per chilometri e chilometri dentro una fibra ottica. Il nemico numero uno qui è il cosiddetto jitter temporale. Immaginate di dover sincronizzare due orologi a distanza: anche con la tecnologia più avanzata, ci sarà sempre una minuscola, ma fatale, incertezza nel loro “tic-tac”. Questo jitter fa sì che i fotoni, anche se partiti “uguali”, arrivino leggermente sfasati, perdendo la loro indistinguibilità temporale. E addio effetto HOM!

Finora, per mitigare questo problema, si cercava di “allungare” il tempo per cui un fotone rimane coerente (cioè, per quanto tempo “ricorda” le sue proprietà). Questo si fa di solito con filtri ottici molto selettivi (narrowband). Il rovescio della medaglia? Questi filtri sono talmente selettivi che buttano via un sacco di fotoni, riducendo drasticamente il rateo di quelli utili. Insomma, una coperta troppo corta: sistemi lenti e poco pratici per applicazioni reali.

La Nostra Soluzione Geniale: Sincronizzazione Intrinseca!

E qui arriva il bello! Abbiamo pensato: e se invece di combattere il jitter, lo eliminassimo alla radice per quanto riguarda la sincronizzazione delle sorgenti? La nostra idea, semplice ma potente, è stata quella di usare impulsi laser comuni per generare i nostri singoli fotoni in punti diversi. Immaginate un direttore d’orchestra (il nostro laser centrale) che dà il “la” contemporaneamente a due musicisti (le nostre sorgenti di fotoni), anche se si trovano in stanze separate. In questo modo, i fotoni nascono già intrinsecamente sincronizzati, senza bisogno di estendere artificialmente il loro tempo di coerenza con filtri che ne riducono il numero.

Il risultato? Siamo riusciti a mantenere l’indistinguibilità dei fotoni e, allo stesso tempo, abbiamo ottenuto un rateo di coincidenze a quattro fotoni (il segnale che ci dice che l’interferenza HOM sta funzionando a dovere tra fotoni da sorgenti separate) più di due ordini di grandezza superiore rispetto ai metodi precedenti, e questo su una trasmissione in fibra ottica di ben 50 chilometri! Un balzo enorme!

Questa svolta ci ha permesso di implementare un protocollo MDI-QKD utilizzando stati decoy passivi, dimostrando che il nostro approccio non è solo teoria, ma è dannatamente pratico.

Dentro l’Esperimento: Alice, Bob e Charlie

Per farvi capire meglio, nel nostro esperimento abbiamo tre “personaggi”: Alice e Bob, che preparano i loro singoli fotoni indipendenti, e Charlie, che sta nel mezzo, fornisce gli impulsi laser di “seme” (seed) e è anche il luogo dove avvengono le misure cruciali, come l’interferenza HOM.

Ecco come funziona, a grandi linee:

• Un laser a fibra a mode-locking passivo da Charlie genera gli impulsi di seme.
• Questi impulsi vengono divisi e inviati tramite fibre ottiche separate ad Alice e Bob.
• Alice (e Bob, che ha un setup identico) riceve l’impulso, lo amplifica e lo usa per “pompare” un cristallo speciale (un PPLN, niobato di litio periodicamente polato) che, tramite un processo chiamato Second Harmonic Generation (SHG), ne raddoppia la frequenza.
• Questo nuovo impulso di pompa, bello pulito spettralmente e spazialmente, colpisce un altro cristallo (un PPKTP, fosfato di titanil potassio periodicamente polato) dove avviene la magia della conversione parametrica spontanea (SPDC). In pratica, un fotone di pompa si divide in due fotoni “figli” di energia inferiore, chiamati segnale e idler.
• Il fotone idler viene rilevato localmente da Alice (o Bob) e funge da “annuncio” (herald): la sua rilevazione ci dice che il suo gemello, il fotone di segnale, è stato creato ed è pronto per essere inviato nel canale quantistico verso Charlie.

La chiave per l’indistinguibilità spettrale, oltre a quella temporale garantita dal laser comune, sta nel progettare attentamente il profilo dell’impulso di pompa e le condizioni di phase-matching nel cristallo SPDC. Abbiamo mirato a fotoni di segnale compatibili con le reti di telecomunicazione standard (DWDM), con una larghezza di banda spettrale di 100 GHz.

I Risultati Che Fanno Battere il Cuore

Per testare l’indistinguibilità dei fotoni, abbiamo eseguito il test di interferenza HOM a quattro fotoni. E i risultati sono stati fantastici! Abbiamo ottenuto una visibilità grezza (una misura di quanto bene i fotoni interferiscono) di 0.822 su 50 km di fibra, con un numero medio di fotoni di 0.028. Questo valore è molto vicino al teorico e batte di gran lunga il limite classico di 0.5, confermando l’elevata indistinguibilità.

Ma non ci siamo fermati qui. Grazie all’alta efficienza di raccolta delle coppie di fotoni, abbiamo raggiunto un rateo di coincidenze a quattro fotoni superiore a 16 conteggi per secondo (cps) a 50km. Per darvi un’idea, questo è oltre cento volte meglio dei lavori precedenti con sorgenti heralded indipendenti nella banda delle telecomunicazioni!

MDI-QKD con Steroidi: Sicurezza al Top!

Con queste prestazioni, eravamo pronti per la prova del nove: dimostrare un protocollo MDI-QKD. Questo tipo di QKD è particolarmente robusto contro attacchi ai rivelatori. Per renderlo ancora più sicuro, abbiamo usato il metodo degli stati decoy passivi. In breve, questo metodo sfrutta la correlazione intrinseca nel numero di fotoni prodotti dalle sorgenti SPDC: rilevando il fotone idler, possiamo classificare “passivamente” gli impulsi di segnale inviati, distinguendo quelli che con maggiore probabilità contengono un singolo fotone da quelli che potrebbero contenerne di più (o nessuno), sventando così attacchi sofisticati come il Photon-Number-Splitting (PNS).

Abbiamo implementato la codifica di polarizzazione (gli stati |H⟩, |V⟩, |+⟩, |–⟩ del protocollo BB84) e, dopo aver calibrato il sistema per compensare le derive dovute alle lunghe fibre, abbiamo fatto girare l’esperimento per 147 ore, inviando fino a 10¹³ impulsi.

I risultati? Abbiamo ottenuto chiavi segrete sicure a 0 km, 20 km e 50 km! Per esempio, con 10¹³ impulsi totali, abbiamo generato 201.247 bit sicuri a 50 km, corrispondenti a un rateo di chiave sicura finale di 1.80 bit al secondo (bps). Può non sembrare tantissimo in termini assoluti, ma considerate la distanza e la sicurezza intrinseca del metodo: è un risultato notevole che prima era semplicemente irraggiungibile con approcci simili!

Cosa Ci Riserva il Futuro?

Certo, c’è sempre spazio per migliorare. Potremmo puntare a una purezza spettrale ancora maggiore, magari con cristalli più lunghi o configurazioni a doppio passaggio, anche se ciò aumenta la complessità. Anche l’efficienza di raccolta dei fotoni idler può essere spinta oltre, usando componenti ottici a bassissima perdita e rivelatori di singoli fotoni ancora più performanti. E, naturalmente, aumentare la potenza del laser di pompa incrementerebbe la “brillantezza” della sorgente, cioè il numero di fotoni generati.

Ottimizzando questi aspetti, potremmo vedere un miglioramento del rateo di chiave di oltre due ordini di grandezza a brevi distanze e più che raddoppiare la distanza massima di trasmissione. Sono sfide tecnologiche importanti, ma siamo sulla strada giusta.

In conclusione, il nostro lavoro ha dimostrato un progresso significativo nel campo della comunicazione quantistica con fotoni singoli basati su SPDC. Abbiamo affrontato con successo la sfida cruciale di mantenere un’elevata indistinguibilità temporale su lunghe distanze in fibra ottica senza sacrificare l’efficienza di raccolta dei fotoni. La strategia di sincronizzazione con laser comune è la chiave di volta che ci ha permesso di ottenere ratei di coincidenza elevatissimi e di dimostrare la fattibilità di MDI-QKD ad alte prestazioni. Non stiamo solo mostrando un approccio pratico e sicuro per QKD ad alto rateo e lunga distanza, ma stiamo anche gettando solide fondamenta per futuri progressi in altre tecnologie di comunicazione quantistica basate su singoli fotoni. Il futuro è quantistico, e noi siamo entusiasti di farne parte!

Fonte: Springer