Ricostruzione Digitale della Luce Spremuta: Rivoluzione Quantistica a Portata di Mano

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi affascina incredibilmente e che sta aprendo porte pazzesche nel mondo dell’informazione quantistica: la luce spremuta. No, non è un succo di frutta fotonico, ma uno stato quantistico della luce davvero speciale. Immaginate di poter “silenziare” il rumore intrinseco della luce in una delle sue caratteristiche, un po’ come abbassare il volume di un fruscio di fondo per sentire meglio una melodia. Ecco, la luce spremuta fa proprio questo, riducendo il rumore in una delle sue “quadrature” (pensatele come due proprietà complementari della luce) al di sotto del limite standard, quello del vuoto o del cosiddetto “shot noise”.

Questa sua natura non classica la rende una risorsa preziosissima per un sacco di applicazioni futuristiche:

• Computer quantistici basati sulla misura
• Metrologia quantistica ultra-precisa
• Sensoristica quantistica avanzatissima
• Comunicazioni quantistiche più robuste e sicure
• Distribuzione quantistica di chiavi (QKD) a prova di spia

La Sfida: Maneggiare la Luce Spremuta

C’è un “ma”, ovviamente. Questa meraviglia quantistica è incredibilmente delicata. Misurarla è una sfida enorme, specialmente se dobbiamo farlo a distanza, magari inviandola attraverso una fibra ottica. Perché? Perché richiede un controllo maniacale su diversi fattori:

• Rumore di fase: La fase della luce spremuta deve essere perfettamente allineata con quella di un raggio laser di riferimento (l’oscillatore locale, o LO) usato per la misura. Qualsiasi fluttuazione rovina tutto.
• Matching dei modi: La forma, la polarizzazione e le caratteristiche temporali della luce spremuta devono combaciare perfettamente con quelle dell’LO.
• Sincronizzazione: Gli orologi di chi invia e chi riceve la luce devono essere perfettamente sincronizzati.
• Polarizzazione: Le fibre ottiche tendono a “mescolare” la polarizzazione della luce in modo casuale. Bisogna continuamente correggerla.

Tradizionalmente, per gestire questi problemi si usano sistemi complessissimi: anelli ad aggancio di fase ottici (OPLL), sistemi attivi per il controllo della polarizzazione, condivisione di segnali di clock… Insomma, un incubo di complessità che ha limitato l’uso pratico della luce spremuta, specialmente fuori dai laboratori super controllati.

La Nostra Idea: Semplificare con il Digitale!

E se potessimo liberarci di tutta questa complessità? Se potessimo misurare la luce spremuta “così com’è”, con tutte le sue imperfezioni indotte dal canale, e poi “ripulirla” digitalmente *dopo* la misura? È esattamente quello che abbiamo proposto e dimostrato!

Abbiamo sviluppato un metodo di rilevamento asincrono. Il trucco? Usare un rilevamento eterodino a radiofrequenza (RF) con un oscillatore locale (LO) generato *localmente* al ricevitore (lo chiamiamo LLO), quindi completamente indipendente da quello usato per creare la luce spremuta. Questo tipo di rilevamento cattura entrambe le quadrature della luce simultaneamente. Poi, applichiamo una serie di trasformazioni matematiche (unitarie, per i tecnici) tramite elaborazione digitale del segnale (DSP) ai dati acquisiti. È come avere una bacchetta magica digitale che corregge la fase, compensa gli effetti del canale e alla fine… voilà! Ricostruiamo lo stato di luce spremuta originale.

Come Funziona la Magia Digitale?

Il cuore del sistema è il rilevamento eterodino RF. A differenza del rilevamento omodino (che misura una sola quadratura alla volta), l’eterodino RF sposta leggermente la frequenza dell’LLO rispetto a quella del segnale spremuto. Questo permette a un singolo rilevatore bilanciato (BD) di catturare entrambe le quadrature, codificate in un segnale a radiofrequenza. Questo segnale viene poi digitalizzato da un convertitore analogico-digitale (ADC).

A questo punto entra in gioco il DSP. La nostra pipeline digitale fa più o meno questo:

1. Recupero della Frequenza: Stimiamo la differenza di frequenza esatta tra l’LLO e la luce spremuta (usando un “tono pilota”, un piccolo segnale laser aggiunto apposta). Questo ci permette di “demodulare” il segnale e separare le componenti delle due quadrature, X e P.
2. Recupero della Fase: Qui sta il bello! Usiamo algoritmi intelligenti (come il filtro di Kalman Unscented) per stimare e compensare il rapido “drift” di fase tra l’LLO (che è indipendente) e la luce spremuta. È come rimettere continuamente a fuoco l’immagine quantistica. Senza questo passo, lo stato spremuto apparirebbe come una macchia informe nello “spazio delle fasi” (una rappresentazione grafica dello stato quantistico). Con la correzione, inizia ad apparire la tipica forma ellittica dello stato spremuto.
3. Rotazione di Fase: Infine, applichiamo una rotazione digitale per allineare perfettamente le quadrature, minimizzando la correlazione residua tra X e P. Questo fa emergere chiaramente la quadratura “spremuta” (con rumore ridotto) e quella “anti-spremuta” (con rumore aumentato).

Abbiamo verificato che gli stati ricostruiti sono effettivamente spremuti confrontandoli con i modelli teorici. Funziona! Abbiamo anche studiato come la separazione di frequenza tra LLO e segnale influenzi la misura, scoprendo che serve una separazione sufficiente (attorno ai 100 MHz nel nostro caso) per evitare che il rumore della “banda immagine” (un artefatto tecnico del rilevamento eterodino) degradi troppo lo squeezing.

Test sul Campo: Luce Spremuta Attraverso 10 km di Fibra

Per dimostrare la potenza del nostro approccio, abbiamo fatto un esperimento tosto: distribuire luce spremuta attraverso 10 km di fibra ottica monomodale. Qui, oltre al rumore di fase, c’è il problema della polarizzazione che fluttua casualmente a causa della birifrangenza della fibra.

Come abbiamo risolto? Abbiamo aggiunto altri due mattoncini al nostro DSP:

• Ricevitore Digitale a Diversità di Polarizzazione: Abbiamo usato un componente ottico (un ibrido a polarizzazione) che divide la luce in arrivo nelle sue due polarizzazioni ortogonali, misurate da due BD separati. Poi, il DSP stima l’angolo di rotazione della polarizzazione indotto dalla fibra e applica una matrice di rotazione inversa digitale per “raddrizzare” la polarizzazione, massimizzando il segnale spremuto su una delle uscite. Niente più controller di polarizzazione analogici!
• Sincronizzazione Digitale del Clock: Abbiamo usato due toni pilota a frequenze diverse, inviati insieme alla luce spremuta. Analizzando la differenza di frequenza tra questi toni al ricevitore, possiamo calcolare un fattore di correzione per compensare le piccole discrepanze tra gli orologi (completamente indipendenti!) del trasmettitore e del ricevitore. Addio alla necessità di condividere un clock di riferimento!

Il risultato? Siamo riusciti a ricostruire con successo lo stato spremuto dopo 10 km di fibra, misurando circa -0.47 dB di squeezing (riduzione del rumore) e 5.07 dB di anti-squeezing (aumento del rumore nell’altra quadratura). Considerando le perdite del canale (2 dB) e l’efficienza di rilevamento, questo corrisponde a uno squeezing iniziale di circa -3.6 dB. Un successo! Abbiamo dimostrato che la distribuzione pratica di luce spremuta su fibra è fattibile senza complessi sistemi di bloccaggio.

Test sul Campo 2: QKD Passiva tra Laboratori

Ma non ci siamo fermati qui. Abbiamo applicato il nostro metodo a un’altra applicazione calda: la distribuzione quantistica di chiavi a variabili continue (CV-QKD). In particolare, abbiamo implementato un sistema di QKD *passivo* basato sulla condivisione di stati di vuoto spremuti.

L’idea è semplice: generiamo luce spremuta e la dividiamo con un beam splitter 50:50. Una metà resta nel laboratorio locale (Lab 1, Alice), l’altra viene inviata tramite una fibra ottica dedicata della rete campus a un laboratorio remoto (Lab 2, Bob). Entrambi i laboratori usano il nostro sistema di rilevamento asincrono con LLO indipendenti e ricevitori a diversità di polarizzazione. Nessuna sincronizzazione, nessun allineamento di polarizzazione preliminare richiesto.

Entrambi ricostruiscono digitalmente la loro parte dello stato spremuto. Poiché i due fasci provengono dalla stessa sorgente spremuta, le loro misure presentano delle correlazioni quantistiche residue. Queste correlazioni, anche se indebolite dalla divisione e dalle perdite, possono essere usate per generare una chiave crittografica segreta!

Abbiamo misurato la matrice di covarianza tra le misure di Alice e Bob e, utilizzando modelli teorici e stime dei parametri (perdite, rumore, efficienza), abbiamo calcolato il tasso di chiave segreta ottenibile (secure key rate). I risultati sono promettenti:

• Usando solo la quadratura spremuta (X), abbiamo ottenuto un tasso di chiave asintotico positivo (KX ≈ 2.49 × 10⁻⁴ bit/simbolo), che rimane positivo anche con efficienze di riconciliazione realistiche (β=95%).
• Usando la quadratura anti-spremuta (P), il tasso potenziale è persino maggiore (KP ≈ 1.34 × 10⁻³ bit/simbolo), anche se più sensibile ai parametri del canale.
• Usando entrambe le quadrature, il tasso K è intermedio.

Questo dimostra la fattibilità di sistemi QKD passivi basati su luce spremuta su infrastrutture di fibra reali, aprendo la strada a comunicazioni quantistiche più semplici e intrinsecamente sicure contro certi attacchi al trasmettitore.

Verso il Futuro Quantistico

Cosa significa tutto questo? Significa che abbiamo sviluppato e dimostrato un modo molto più pratico e robusto per rilevare e utilizzare la luce spremuta, specialmente in scenari reali che coinvolgono fibre ottiche. Eliminando la necessità di complessi sistemi di bloccaggio attivo per fase, polarizzazione e clock, abbiamo abbassato significativamente la barriera d’ingresso per sfruttare questa risorsa quantistica fondamentale.

Il nostro approccio basato su rilevamento eterodino RF asincrono e DSP apre nuove strade per:

• Reti di sensori quantistici distribuiti: Immaginate sensori ultra-sensibili collegati da fibre ottiche.
• Comunicazioni quantistiche a lunga distanza: Sistemi QKD più semplici e potenzialmente più sicuri.
• Computing quantistico: Integrazione più facile di sorgenti di stati spremuti.

Crediamo che questo lavoro rappresenti un passo importante per portare le tecnologie basate sulla luce spremuta fuori dai laboratori e verso applicazioni pratiche che potrebbero rivoluzionare diversi campi. La strada è ancora lunga, ma la possibilità di “domare” digitalmente la luce quantistica è davvero entusiasmante!

Fonte: Springer