Domare la ‘Spettrale Azione a Distanza’: Nonlocalità Quantistica ad Alta Velocità Senza Scappatoie!

Avete mai sentito parlare di “spettrale azione a distanza”? È così che Einstein, un po’ scettico, chiamava uno dei fenomeni più bizzarri e affascinanti della meccanica quantistica: l’entanglement e la nonlocalità. In parole povere, due particelle possono rimanere connesse in modo misterioso, istantaneo, anche se separate da distanze enormi. Misurare una proprietà di una particella influenza istantaneamente la proprietà corrispondente dell’altra. Sembra fantascienza, vero? Eppure, è reale ed è una risorsa chiave per le tecnologie quantistiche del futuro, come la comunicazione ultra-sicura o il calcolo quantistico.

Il problema? Dimostrare questa stranezza quantistica in modo inequivocabile, senza “scappatoie” (i fisici le chiamano loopholes) che potrebbero far pensare a spiegazioni più classiche e meno “spettrali”, è una sfida enorme. Soprattutto, la “detection loophole” (scappatoia di rilevamento) è stata un osso duro: se i nostri strumenti non sono abbastanza efficienti nel rilevare le particelle, potremmo essere ingannati e vedere correlazioni non locali che in realtà non ci sono, o almeno non così forti come sembrano.

Per anni, noi scienziati abbiamo cercato di chiudere queste scappatoie, ma spesso a scapito della praticità o della velocità, usando magari complessi apparati in aria libera (free-space) poco robusti o cambiando le impostazioni di misura manualmente, troppo lentamente per applicazioni reali. Ma se volessimo usare questa meraviglia quantistica nei sistemi di telecomunicazione di oggi, che viaggiano su fibra ottica a velocità pazzesche?

Cos’è lo Steering Quantistico? Una Forma Speciale di Connessione

Prima di tuffarci nel nostro esperimento, spendiamo due parole su una forma specifica di nonlocalità chiamata quantum steering (o pilotaggio quantistico). Immaginate due persone, Alice e Bob. Alice prepara delle particelle quantistiche e le invia a Bob. Bob, che si fida della meccanica quantistica per descrivere le particelle che riceve, fa delle misure. Alice, invece, potrebbe essere “inaffidabile” – non sappiamo esattamente cosa fa o se usa trucchi nascosti (le famose “variabili nascoste locali”, LHV). Lo steering si verifica quando Bob, analizzando le correlazioni tra le sue misure e le risposte che Alice gli fornisce (senza sapere come lei le ottenga), può dimostrare che le particelle che ha ricevuto dovevano essere necessariamente entangled con quelle di Alice. È una forma di nonlocalità “asimmetrica”, a metà strada tra il semplice entanglement (dove entrambi si fidano della meccanica quantistica) e la più forte nonlocalità di Bell (dove nessuno dei due si fida a priori). Lo steering è fondamentale per applicazioni come la comunicazione quantistica sicura “one-sided device-independent” (1sDI-QKD), dove solo uno dei due dispositivi (quello di Bob, nel nostro esempio) deve essere considerato affidabile.

Il Problema delle Scappatoie: La Sfida della Rilevazione

Come dicevo, la scappatoia più insidiosa è quella di rilevamento. Se Alice potesse scegliere quali risultati comunicare a Bob, scartando quelli “scomodi”, potrebbe simulare correlazioni più forti di quelle permesse dalla fisica classica, anche senza un vero entanglement. Per chiudere questa scappatoia, serve un’efficienza di rilevamento complessiva molto alta: dobbiamo essere sicuri di “vedere” una frazione sufficientemente grande delle particelle scambiate. Finora, gli esperimenti che ci sono riusciti hanno usato spesso la polarizzazione dei fotoni e sistemi in aria libera, raggiungendo velocità di commutazione delle misure al massimo nell’ordine dei MHz. Troppo poco per le telecomunicazioni moderne. Inoltre, implementare schemi di misura ottimali per lo steering spesso richiede modulazioni di ampiezza, che introducono perdite e complicazioni nei sistemi in fibra.

La Nostra Ricetta Segreta: Chip, Fibre e un Nuovo Schema di Misura

Ed è qui che entra in gioco il nostro lavoro! Abbiamo affrontato la sfida di petto, con l’obiettivo di dimostrare lo steering quantistico senza scappatoia di rilevamento, ma facendolo in un sistema completamente basato su chip fotonici e fibre ottiche, compatibile con le altissime velocità delle telecomunicazioni. E ci siamo riusciti, raggiungendo una velocità di commutazione delle misure strabiliante: 1.25 GHz!

Come abbiamo fatto? Ecco gli ingredienti chiave:

• Entanglement nel Dominio Temporale (Time-Bin): Invece di usare la polarizzazione, abbiamo codificato l’informazione quantistica nel tempo di arrivo dei fotoni. Un fotone può arrivare “presto” (stato |E⟩) o “tardi” (stato |L⟩), o trovarsi in una sovrapposizione dei due. Questo tipo di codifica è molto robusto alla decoerenza nelle fibre ottiche.
• Nuovo Schema di Misura a Codifica di Fase: Abbiamo ideato uno schema di misura specifico per il time-bin che usa solo la modulazione di fase, non di ampiezza. Questo è perfetto per i modulatori elettro-ottici usati nelle telecomunicazioni, che sono velocissimi e precisi, ma introduce meno perdite rispetto alla modulazione di ampiezza. Anche se non è teoricamente l’ottimale assoluto in tutte le condizioni come altri schemi (tipo Platonic-solid), abbiamo dimostrato che con basso rumore le prestazioni sono quasi identiche.
• Chip Fotonico su Silicio a Basse Perdite: Abbiamo progettato e fabbricato un chip fotonico su silicio (SOI) super efficiente per generare le coppie di fotoni entangled tramite un processo chiamato “Spontaneous Four-Wave Mixing” (SFWM). Bassissime perdite sono cruciali per chiudere la detection loophole!
• Configurazione Asimmetrica Intelligente: Qui sta uno dei “trucchi” più furbi. I modulatori di fase, per quanto efficienti, introducono comunque delle perdite (circa 3 dB, cioè dimezzano il segnale). Se sia Alice che Bob dovessero usarli per cambiare attivamente le loro misure (come richiederebbe una dimostrazione rigorosa della località), la perdita totale renderebbe quasi impossibile chiudere la detection loophole. Abbiamo quindi sviluppato una configurazione “asimmetrica”: la modulazione di fase che Alice *dovrebbe* fare sulla sua misura, l’abbiamo invece applicata *prima* della generazione dell’entanglement, sfruttando una tecnica chiamata injection-locking sui laser. In questo modo, abbiamo “mimato” la scelta attiva della misura da parte di Alice senza introdurre la perdita del modulatore sul suo lato. Questo ci ha permesso di concentrare gli sforzi per massimizzare l’efficienza sul lato di Bob (il “fiduciario”). È importante notare che questa configurazione è una dimostrazione di principio per chiudere la *detection loophole*, ma apre quella di località (che andrebbe chiusa con separazione spaziale in applicazioni reali).

L’Esperimento: Luci, Chip e Fibre Ottiche al Lavoro

Il nostro setup sperimentale (descritto nella Figura 2 del paper originale) usa due laser DFB, uno dei quali modulato ad altissima velocità (2.5 GHz) per creare gli impulsi di luce. Questi impulsi pompano il nostro chip SOI, generando coppie di fotoni entangled nel tempo (uno “segnale” per Bob, uno “idler” per Alice) a lunghezze d’onda standard per le telecomunicazioni (banda C). I fotoni viaggiano poi in fibre ottiche. Bob usa un modulatore di fase ultra-veloce per scegliere tra diverse misure (fino a 9 diverse impostazioni nel nostro test) prima di inviare il suo fotone a un interferometro asimmetrico (AMZI) e a rivelatori superconduttori a nanofilo (SNSPD), che sono estremamente efficienti e veloci. Anche Alice usa un AMZI (ma senza modulatore attivo, grazie alla nostra configurazione asimmetrica) e un SNSPD. Tutto il sistema è sincronizzato e controllato con precisione.

Abbiamo misurato le correlazioni tra i risultati di Alice e Bob per diversi numeri di impostazioni di misura (n=6, 7, 8, 9). Per dimostrare lo steering senza detection loophole, dovevamo superare una soglia critica (chiamata v*) che dipende dall’efficienza di rilevamento totale (ε) del sistema e dal numero di misure scelte. Questa soglia rappresenta il massimo risultato ottenibile da una strategia “classica” che sfrutta la scappatoia di rilevamento.

I risultati? Ce l’abbiamo fatta! Per tutte le configurazioni testate (n=6 a 9), il nostro valore di correlazione misurato (espresso come -Sn, che idealmente dovrebbe essere 1 per un entanglement perfetto) è risultato significativamente superiore alla soglia critica v* calcolata per la nostra efficienza di rilevamento sperimentale (ε, circa 21-22%). Ad esempio, per n=9, abbiamo ottenuto -S9 = 0.9805 ± 0.0032, ben al di sopra del limite classico permesso per la nostra efficienza ε9 = 0.2125 ± 0.005. Questo è la prova: abbiamo osservato steering quantistico in un sistema ad alta velocità, basato su fibra e chip, chiudendo la detection loophole!

Perché è Importante? Verso Applicazioni Reali

Questa non è solo una vittoria accademica. Dimostrare lo steering senza scappatoie in un sistema così pratico, robusto e veloce apre la strada a tante applicazioni concrete. Pensate alla Quantum Key Distribution (QKD), la crittografia quantistica. Il nostro sistema è una piattaforma ideale per protocolli come il 1sDI-QKD o, più specificamente data la nostra configurazione, il TDI-QKD (Transmitter-Device-Independent QKD), dove non dobbiamo fidarci del dispositivo trasmittente (Alice). Avere una velocità di commutazione così alta (GHz!) è fondamentale per raggiungere velocità di trasmissione della chiave segreta elevate, compatibili con le esigenze delle reti moderne.

Il nostro lavoro rappresenta un passo solido per portare la ricerca sulla nonlocalità quantistica e sullo steering fuori dai laboratori, verso il mondo reale delle telecomunicazioni. Abbiamo dimostrato che le stranezze quantistiche non solo sono reali, ma possono essere imbrigliate e controllate con tecnologie scalabili e ad alta velocità. Il futuro quantistico delle comunicazioni è un po’ più vicino!

Fonte: Springer