Teletrasporto Quantistico – Fatti o Finzione?

Utilizzare la fibra ottica per il teletrasporto quantistico

Global digital communication relies on the quick and efficient transfer of data at the speed of light through a complex network of optical fibers. This is acceptable for classical computing, which uses binary strings of 0 and 1.

Tuttavia, man mano che il calcolo quantistico si avvicina sempre più a diventare uno strumento di uso comune per la crittografia, la ricerca scientifica e altre applicazioni, sorge la questione di come trasferire dati quantistici da un computer quantistico a un altro.

Per molto tempo si è ritenuto che ciò fosse quasi impossibile. Ogni computer quantistico era destinato a operare in isolamento dagli altri, riducendo il loro potenziale.

Questo sta rapidamente diventando un problema importante da risolvere per l’industria tecnologica, soprattutto ora che sono stati appena presentati nuovi design scalabili di chip quantistici.

Quindi questo è un passo importante che i ricercatori della Northwestern University, Ciena Corporation (CIEN ) e NuCrypt LCC hanno scoperto: lo stato quantistico può essere preservato e trasferito nella fibra ottica insieme a un flusso di dati “normale”.

They published their results in Optica, titled “Teletrasporto quantistico coesistente con le comunicazioni classiche in fibra ottica¹”.

Teletrasporto Quantistico

Sebbene suoni come un concetto fantasioso tratto da un film di fantascienza, il teletrasporto quantistico è in realtà un fenomeno reale studiato da decenni.

Ciò avviene quando due particelle diverse sono “accoppiate/legate” insieme, un fenomeno chiamato entanglement quantistico.

In questo caso, quando due particelle sono collegate, indipendentemente dalla distanza tra loro, scambiano informazioni su grandi distanze — senza trasportarle fisicamente. In alcuni casi, potrebbe persino essere possibile che lo scambio di informazioni avvenga più velocemente della luce, qualcosa teoricamente impossibile.

Come funziona e cosa significa per l’aspetto fondamentale della nostra realtà è ancora oggetto di accesi dibattiti tra i fisici quantistici. Tuttavia, sappiamo che si tratta di un effetto quantistico molto reale e misurabile, che potrebbe consentire comunicazioni perfettamente sicure e istantanee.

Comunicazioni radicalmente diverse

Un ago in un pagliaio in movimento

Finora si presumeva che nessuno stato quantistico potesse essere trasferito attraverso la fibra ottica, poiché qualsiasi fotone entangled individuale sarebbe stato inglobato nei miliardi di altri fotoni che vi viaggiano accanto, perdendo il suo stato quantistico unico.

“Eseguendo una misura distruttiva su due fotoni — uno che trasporta uno stato quantistico e uno entangled con un altro fotone — lo stato quantistico viene trasferito sul fotone rimanente, che può trovarsi a grande distanza.

Il fotone stesso non deve essere inviato su lunghe distanze, ma il suo stato finisce comunque codificato sul fotone distante. Il teletrasporto consente lo scambio di informazioni su grandi distanze senza richiedere che le informazioni stesse viaggino quella distanza.”

Jordan Thomas – Ph.D. at Northwestern University.

L’intuizione chiave era verificare se non esistesse qualche condizione specifica nella fibra ottica che potesse disturbare l’entanglement quantistico.

Dopo aver condotto studi approfonditi su come la luce si disperde all’interno dei cavi in fibra ottica, i ricercatori hanno trovato una lunghezza d’onda meno affollata per collocare i loro fotoni, i canali quantistici a 1290 nm. Successivamente, hanno aggiunto filtri speciali per ridurre il rumore dal traffico Internet regolare.

Naturalmente, sebbene ciò sembri semplice, l’allestimento sperimentale reale era tutt’altro che semplice, e il documento scientifico pubblicato ci offre uno scorcio di quanto fosse complesso l’intero esperimento:

Fonte: Optica

Nuove telecomunicazioni

Poiché la fibra ottica trasferisce fotoni dal punto A al punto B, era già noto che potevano trasportare uno stato quantistico. Ma questa è la prima volta che è stato dimostrato che ciò può avvenire contemporaneamente al trasferimento di altri dati non quantistici.

Ciò significa che si sta verificando un processo di trasferimento di informazioni molto diverso, basato su un singolo fotone alla volta anziché sui soliti milioni di fotoni.

“Nelle comunicazioni ottiche, tutti i segnali sono convertiti in luce. Mentre i segnali convenzionali per le comunicazioni classiche tipicamente comprendono milioni di particelle di luce, le informazioni quantistiche utilizzano fotoni singoli.”

Pr Prem Kumar – Director of the Center for Photonic Communication and Computing at Northwestern University

Dal prototipo iniziale a ambizioni più ampie

Più fibra ottica

Il primo test è stato condotto su una fibra ottica lunga 30 km (18,6 miglia), con traffico Internet ad alta velocità che la attraversava.

Il prossimo passo per i ricercatori sarà sperimentare distanze molto più lunghe, per vedere fino a che punto possano spingere questo nuovo metodo di comunicazione a distanza.

Finora ciò è stato condotto solo con fibra ottica di laboratorio. Un altro set di test sperimenterà cavi ottici sotterranei nel mondo reale e valuterà quanto funzionino con la rete globale preesistente di fibra ottica Internet.

Espansione delle applicazioni quantistiche

Un’altra parte dell’indagine in corso sarà utilizzare due coppie di fotoni entangled, anziché una sola coppia. Questo verificherebbe cosa accade riguardo a un altro fenomeno quantistico chiamato scambio di entanglement.

Lo scambio di entanglement è un protocollo per trasferire l’entanglement quantistico da una coppia di particelle a un’altra, anche se la seconda coppia di particelle non ha mai interagito.

Questo è uno strumento aggiuntivo importante per le potenziali future telecomunicazioni quantistiche perché porterebbe a applicazioni quantistiche distribuite come le reti quantistiche. Queste reti potrebbero supportare il trasferimento sicuro di informazioni quantistiche su percorsi lunghi.

“Il teletrasporto quantistico ha la capacità di fornire connettività quantistica sicura tra nodi geograficamente distanti. Ma molte persone hanno a lungo supposto che nessuno costruirebbe un’infrastruttura specializzata per inviare particelle di luce.

Se scegliamo correttamente le lunghezze d’onda, non dovremo costruire nuove infrastrutture. Le comunicazioni classiche e le comunicazioni quantistiche possono coesistere.”

Pr Prem Kumar – Director of Center for Photonic Communication and Computing at Northwestern University

Questo sarebbe un grande passo nella crittografia potenziata dal quantistico, poiché utilizzando gli scambi di entanglement tra coppie di particelle è possibile generare chiavi di crittografia sicure che dovrebbero essere protette dall’intercettazione.

Un altro effetto sarebbe consentire il trasferimento a ultra-lunghe distanze di stati quantistici, mediante un metodo chiamato repeater quantistico. Eseguendo regolarmente lo scambio di entanglement, si potrebbe “rinfrescare” lo stato quantistico ed evitare qualsiasi perdita di dati su lunghe distanze.

Investire nel calcolo quantistico

Il calcolo quantistico è ancora un campo emergente, ma gli investitori possono già accedervi attraverso le aziende che lo stanno sviluppando.

Puoi investire in aziende legate al quantistico attraverso molti broker, e puoi trovare qui, su securities.io, le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli Stati Uniti, Canada, Australia, Regno Unito, e molti altri paesi.

Se non sei interessato a scegliere specifiche aziende di calcolo quantistico, puoi anche considerare gli ETF di calcolo quantistico come Defiance Quantum ETF (QTUM), che offriranno un’esposizione più diversificata per capitalizzare sull’industria del calcolo quantistico.

Puoi saperne di più sul calcolo quantistico in “Lo Stato Attuale del Calcolo Quantistico” e sulle più grandi aziende del settore in “5 Migliori Aziende di Calcolo Quantistico” & “Top 10 Aziende di Calcolo Non-Silicon“.

Azienda di Calcolo Quantistico

1. Alphabet Inc.

Google è molto attiva nel calcolo quantistico, principalmente attraverso il suo laboratorio Google Quantum AI e il campus Quantum AI a Santa Barbara.

Il computer quantistico di Google ha fatto la storia nel 2019 quando ha affermato di aver raggiunto la “supremazia quantistica” con la sua macchina Sycamore. La macchina ha eseguito un calcolo in 200 secondi che un supercomputer convenzionale avrebbe impiegato 10.000 anni.

Questo è ora oscurato dalle prestazioni del suo chip più recente, chiamato Willow. Questo è il primo chip di calcolo quantistico con un tasso di errore così basso che, più qubit aggiungi, meno errore ottieni. Lo rende il primo design di chip quantistico scalabile.

Ma forse il più grande contributo di Google sarà nel software, un’attività in cui ha un impressionante curriculum, in realtà migliore rispetto all’hardware (ricerca, G Suite, Android, ecc.).

Già, il Quantum AI di Google mette a disposizione una suite di software progettata per assistere gli scienziati nello sviluppo di algoritmi quantistici.

Promuove inoltre apertamente “ricercatori, ingegneri e sviluppatori a unirsi a noi in questo viaggio esplorando il nostro software open source e le risorse educative, incluso il nostro nuovo corso su Coursera, dove gli sviluppatori possono apprendere le basi della correzione degli errori quantistici e aiutarci a creare algoritmi che possano risolvere i problemi del futuro.”

Grazie a questo approccio aperto, Google è ora leader sia nell’hardware sia nelle sue soluzioni cloud. Google potrebbe essere una delle aziende che stabiliscono gli standard del software di calcolo quantistico e della programmazione quantistica, conferendole una posizione privilegiata per guidare l’evoluzione futura del settore.

Nel frattempo, le soluzioni AI, incluso il veicolo autonomo di Waymo, potrebbero diventare il nuovo motore di ricavi per Alphabet (GOOG ), che mantiene ancora una posizione massimamente dominante nei settori della ricerca e della pubblicità.

Puoi saperne di più sulle attività di Google non legate al quantistico, in particolare pubblicità e AI, nel nostro rapporto dedicato di dicembre 2024.

2. Ciena Corporation

Un partner è il progetto di ricerca che ha dimostrato il teletrasporto quantistico nella fibra ottica, Ciena Corporation è un leader globale nei sistemi ottici e di routing, nei servizi e nel software di automazione.

Ciena è di gran lunga la più grande azienda ex-China nel mercato ottico, controllando più del 25% del mercato. È presente in 70 paesi.

Fonte: Ciena Corporation

L’azienda vede la domanda di larghezza di banda esplodere nei prossimi 4 anni, spinta dalla domanda delle applicazioni AI.

Fonte: Ciena Corporation

Ciò ha spinto l’azienda a sfruttare la sua forte posizione nelle reti ottiche per espandersi in nuovi mercati rilevanti per il boom dell’AI, in particolare a causa di molte applicazioni AI che richiedono nuovi dati localizzati centri, a causa di leggi sulla privacy e sul flusso transfrontaliero dei dati, nonché l’emergere di data center disaggregati, che richiedono più capacità di rete ottica.

Fonte: Ciena Corporation

Se le reti di fibra ottica si dimostrano utilizzabili per trasmettere dati quantistici, ciò potrebbe dimostrare un nuovo settore in forte crescita per l’industria delle reti ottiche. Questo renderebbe il futuro del settore ancora più promettente, poiché il calcolo quantistico potrebbe dargli una spinta enorme dopo la già esplosiva domanda delle applicazioni AI.

Riferimento allo studio:

^{1. Thomas, J. M., Yeh, F. I., Chen, J. H., Mambretti, J. J., Kohlert, S. J., Kanter, G. S., & Kumar, P. (2024). Teletrasporto quantistico coesistente con le comunicazioni classiche in fibra ottica. Optica, 11(12), 1700–1707. https://doi.org/10.1364/OPTICA.11.001700}