Reti Quantistiche: La Rivoluzione del Multiplexing di Stato per Connessioni a Prova di Futuro!

Amici appassionati di futuro e tecnologia, tenetevi forte! Oggi vi porto nel cuore pulsante di una delle sfide più affascinanti del nostro tempo: la creazione di reti quantistiche globali. Immaginate un’internet potenziata dalla meccanica quantistica, capace di calcoli ultra-veloci, metrologia di precisione mai vista e, soprattutto, comunicazioni intrinsecamente sicure. Bello, vero? Ma c’è un “ma”.

Il Vecchio Dilemma: Troppi Utenti, Poche ‘Autostrade’ Quantistiche

Quando parliamo di reti quantistiche basate sull’entanglement (quel fenomeno stranissimo per cui due particelle restano connesse istantaneamente a distanza, un po’ come gemelli telepatici), uno dei sogni è creare una rete “completamente connessa”. Significa che ogni utente può comunicare direttamente e simultaneamente con ogni altro utente. Pensate a una festa: tutti vogliono parlare con tutti! Per farlo, tradizionalmente si usa una tecnica chiamata wavelength division multiplexing (WDM), che assegna a ogni coppia di utenti un canale di lunghezza d’onda specifico, come una corsia dedicata su un’autostrada. Il problema? Se hai N utenti, ti servono circa N² canali. Per pochi utenti è fattibile, ma se vogliamo collegare intere città o nazioni, il numero di “corsie” necessarie esplode, e lo spettro di lunghezze d’onda disponibili, ahimè, è limitato. Un bel collo di bottiglia!

La Svolta: Il Multiplexing di Stato Entra in Scena!

Ed è qui che entriamo in gioco noi, o meglio, la nostra nuova idea: un approccio basato su una sorgente di luce quantistica a multiplexing di stato. Cosa vuol dire? In parole povere, abbiamo pensato: e se potessimo far fare a una singola “corsia” (lunghezza d’onda) il lavoro di più corsie? È un po’ come se su una stessa strada potessero viaggiare contemporaneamente più messaggi, distinti e indirizzati a destinatari diversi, senza intralciarsi.

Per farlo, abbiamo usato un trucchetto ingegnoso: “pompare” un dispositivo ottico non lineare di terzo ordine (nel nostro caso, un elegantissimo chip microrisonatore in nitruro di silicio) con non uno, ma due laser a lunghezze d’onda diverse. Questa doppia “spinta” energetica innesca simultaneamente tre processi di generazione di coppie di fotoni entangled, chiamati Spontaneous Four-Wave Mixing (SFWM): uno non degenere e due degeneri. Il risultato? Un fotone su una certa lunghezza d’onda può essere “entangled” (correlato quantisticamente) con fotoni su ben tre altre lunghezze d’onda diverse! In pratica, abbiamo “multiplexato” più stati quantistici su un canale di lunghezza d’onda comune. Questo significa che un utente che “occupa” una risorsa di lunghezza d’onda può connettersi con altri tre utenti, invece di uno solo. Una bella ottimizzazione!

Mettiamo alla Prova la Magia: Il Nostro Esperimento

Per dimostrare che la nostra idea non era solo bella sulla carta, abbiamo costruito un prototipo. Abbiamo preso il nostro chip microrisonatore in nitruro di silicio (con un Free Spectral Range, o FSR, di 200 GHz, che è una misura di quanto sono “distanziate” le sue risonanze) e l’abbiamo collegato a due laser. Con questa configurazione, siamo riusciti a creare una rete completamente connessa tra quattro utenti utilizzando solo sei canali di lunghezza d’onda. Pensateci: con i metodi tradizionali ne sarebbero serviti dodici! Abbiamo dimezzato le risorse necessarie senza sacrificare nulla in termini di funzionalità o performance della comunicazione sicura.

E parlando di comunicazione sicura, abbiamo implementato il famoso protocollo BBM92 (uno dei pilastri della distribuzione di chiavi quantistiche, o QKD) e abbiamo ottenuto un tasso di chiave sicura asintotico totale di 1946.9 bps (bit per secondo) tra i quattro utenti. Non male per un primo tentativo su una tecnologia così innovativa!

Dietro le Quinte: Come Funziona Questa Meraviglia?

Cerchiamo di capire un po’ meglio. Immaginate di etichettare le lunghezze d’onda dei nostri laser di pompa come 0 e 10 (sono solo numeri per capirci, eh!). Le coppie di fotoni entangled vengono generate quando la somma delle loro “etichette” numeriche è 0, 20 (processi degeneri) o 10 (processo non degenere). Quindi, se un fotone ha, diciamo, etichetta 2, può essere correlato con fotoni a etichetta -2 (somma 0), etichetta 8 (somma 10) o etichetta 18 (somma 20). Ecco come un singolo canale può servire più “collegamenti”!

Il sistema fisico che abbiamo messo in piedi ha un cuore centrale, il Quantum Network Service Provider (QNSP), che contiene la nostra sorgente di luce a multiplexing di stato e le unità per smistare (demultiplexare/multiplexare) i fotoni. Da qui, i fotoni viaggiano su fibre ottiche fino ai singoli utenti. Ogni utente è equipaggiato con uno beam splitter (che divide il fascio di luce), due interferometri di Michelson sbilanciati (per fare le misure quantistiche) e quattro rilevatori di singoli fotoni superconduttori (SNSPD), che sono sensibilissimi.

Per caratterizzare la bontà del nostro entanglement, abbiamo usato l’interferenza di Franson, che è un test classico per l’entanglement temporale-energetico. I risultati sono stati ottimi, con visibilità dell’interferenza che hanno raggiunto il 98.2% in alcuni casi, senza nemmeno sottrarre i conteggi accidentali. Questo ci dice che i nostri fotoni sono davvero “gemelli quantistici” di alta qualità.

I Risultati Parlano Chiaro (e Sicuro!)

Abbiamo analizzato le prestazioni della nostra rete a quattro utenti (chiamiamoli Alice, Bob, Charlie e Dave) in termini di Quantum Bit Error Rate (QBER), cioè il tasso di errore nella trasmissione dei bit quantistici, e il Secure Key Rate (SKR), la velocità con cui si può generare una chiave crittografica sicura. Abbiamo scoperto che le prestazioni migliori si ottengono tra Alice e Bob, grazie a una configurazione di lunghezze d’onda particolarmente efficiente e a basso rumore. La sfida maggiore è stata tra Bob e Dave, perché in quel caso alcuni fotoni “utili” per altre connessioni diventavano “rumore”.

C’è un compromesso da trovare: aumentando la potenza dei laser di pompa, aumentano sia il rateo di chiavi utili (Nsift) sia il QBER. Abbiamo trovato che una potenza di pompa di 0.4 mW era ottimale per il nostro esperimento, permettendo di generare chiavi sicure tra tutte le coppie di utenti. È interessante notare che Charlie e Dave erano connessi da ben due coppie di fotoni entangled, il che ha portato a due picchi di correlazione nei loro istogrammi di coincidenza!

Non è Tutto Oro Ciò che Luccica? Affrontiamo le Sfide

Certo, qualcuno potrebbe obiettare che il nostro schema introduce del rumore, perché se multiplexiamo tre stati su una lunghezza d’onda e ne usiamo solo uno, gli altri due sono tecnicamente “rumore”. È vero, ma questo tipo di “contaminazione” esiste anche negli schemi precedenti se non si usano filtri super-selettivi a livello utente. La bellezza del nostro sistema è che il QBER e l’SKR non dipendono solo dalla qualità dei fotoni, ma anche dalla topologia della rete e da come si configurano i canali. Si può giocare con le potenze dei laser e la disposizione dei filtri (DWDM) per bilanciare le prestazioni tra i vari utenti, magari usando anche tecniche di “flex-grid” per adattare dinamicamente la rete.

Un Salto Quantico Verso il Futuro delle Reti

L’obiettivo a lungo termine è un internet quantistico globale, che connetta il maggior numero possibile di utenti usando il minor numero di canali di lunghezza d’onda. E qui il nostro schema brilla: più utenti ci sono, più evidenti diventano i vantaggi. Potremmo persino usare tre o più laser di pompa per estendere ulteriormente lo spettro e il numero di stati multiplexati! Certo, con più pompe aumentano le sfide nel filtraggio del rumore, ma ci sono soluzioni, come usare processi SFWM di tipo II o ingegnerizzare la dispersione dei microrisonatori.

In conclusione, abbiamo dimostrato per la prima volta una rete di distribuzione di chiavi quantistiche basata sull’entanglement temporale-energetico che usa una sorgente di luce a multiplexing di stato. Questo non solo conferma la fattibilità e la scalabilità della nostra architettura di rete, ma apre la strada a reti quantistiche più grandi, efficienti e riconfigurabili, riducendo drasticamente i requisiti infrastrutturali. E il bello è che questo schema può essere applicato anche ad altri tipi di entanglement, come quello di polarizzazione o di time-bin, e combinato con altre tecniche di multiplexing. Il futuro delle comunicazioni quantistiche sicure e su larga scala è un po’ più vicino, e io non potrei essere più entusiasta!

Fonte: Springer