I ricercatori dell'Institute for Quantum Computing (IQC) dell'Università di Waterloo hanno riunito due concetti di ricerca vincitori del premio Nobel per far avanzare il campo della comunicazione quantistica.
Gli scienziati possono ora produrre in modo efficiente coppie di fotoni entangled quasi perfette da sorgenti di punti quantici. La ricerca, “Oscillating photonic Bell state from a semiconductor quantum dot for quantum key distribution”, è stata pubblicata su Fisica delle comunicazioni
I fotoni entangled sono particelle di luce che rimangono connesse, anche su grandi distanze, e il Premio Nobel per la fisica 2022 ha riconosciuto gli esperimenti su questo argomento. Combinando l'entanglement con i punti quantici, a la tecnologia riconosciuto con il Premio Nobel per la Chimica nel 2023, il gruppo di ricerca IQC mirava a ottimizzare il processo per la creazione di fotoni entangled, che hanno un’ampia varietà di applicazioni, comprese le comunicazioni sicure.
“La combinazione di un alto grado di entanglement e di un’elevata efficienza è necessaria per applicazioni entusiasmanti come la distribuzione di chiavi quantistiche o i ripetitori quantistici, che sono progettati per estendere la distanza della comunicazione quantistica sicura su scala globale o collegare computer quantistici remoti”, ha affermato il dott. Michael Reimer, professore all'IQC e al Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica di Waterloo.
"Gli esperimenti precedenti hanno misurato solo un entanglement quasi perfetto o un'elevata efficienza, ma siamo i primi a soddisfare entrambi i requisiti con un punto quantico."
Incorporando punti quantici semiconduttori in un nanofilo, i ricercatori hanno creato una sorgente che crea fotoni entangled quasi perfetti 65 volte più efficientemente rispetto al lavoro precedente.
Questa nuova sorgente, sviluppata in collaborazione con il Consiglio nazionale delle ricerche del Canada a Ottawa, può essere eccitata con i laser per generare coppie entangled a comando. I ricercatori hanno poi utilizzato rilevatori di fotoni singoli ad alta risoluzione forniti da Single Quantum nei Paesi Bassi per aumentare il grado di entanglement.
“Storicamente, i sistemi di punti quantici erano afflitti da un problema chiamato scissione della struttura fine, che fa oscillare uno stato entangled nel tempo. Ciò significava che le misurazioni effettuate con un sistema di rilevamento lento avrebbero impedito la misurazione dell’entanglement”, ha affermato Matteo Pennacchietti, Ph.D. studente presso l'IQC e il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica di Waterloo.
“Abbiamo superato questo problema combinando i nostri punti quantici con un sistema di rilevamento molto veloce e preciso. Fondamentalmente possiamo prendere un timestamp di come appare lo stato entanglement in ogni punto durante le oscillazioni, ed è lì che otteniamo l’entanglement perfetto”.
Per mostrare le future applicazioni di comunicazione, Reimer e Pennacchietti hanno lavorato con il dottor Norbert Lütkenhaus e il dottor Thomas Jennewein, entrambi membri della facoltà IQC e professori del Dipartimento di fisica e astronomia di Waterloo, e i loro team.
Utilizzando la loro nuova fonte di entanglement di punti quantici, i ricercatori hanno simulato un metodo di comunicazione sicuro noto come distribuzione di chiavi quantistiche, dimostrando che la fonte di punti quantici rappresenta una promessa significativa nel futuro delle comunicazioni quantistiche sicure.