Informatica
Il futuro della comunicazione quantistica: spiegato il teletrasporto a singolo fotone
Securities.io mantiene rigorosi standard editoriali e potrebbe ricevere compensi per i link recensiti. Non siamo consulenti finanziari registrati e questo non costituisce consulenza finanziaria. Si prega di consultare il nostro divulgazione di affiliati.
Cos'è il teletrasporto quantistico e come funziona?
Sebbene possa sembrare un concetto fantasioso tratto da un film di fantascienza, il teletrasporto quantistico è in realtà un fenomeno reale studiato da decenni.
Ciò accade quando due particelle diverse vengono "accoppiate/legate" insieme, in un fenomeno chiamato entanglement quantistico.
In questo caso, quando due particelle sono collegate, indipendentemente dalla distanza tra loro, si scambiano informazioni a grandi distanze, senza trasportarle fisicamente. In alcuni casi, sembra addirittura che lo scambio di informazioni avvenga a una velocità superiore a quella della luce, cosa teoricamente impossibile.
Come funziona e cosa significa per l'aspetto fondamentale della nostra realtà è ancora oggetto di accesi dibattiti da parte dei fisici quantistici. Tuttavia, sappiamo che si tratta di un effetto quantistico molto reale e misurabile, che potrebbe consentire comunicazioni perfettamente sicure e istantanee.
Lo stato attuale della tecnologia del teletrasporto quantistico
Innovazioni che consentono il trasferimento pratico di dati quantistici
Di recente sono stati compiuti progressi per sfruttare l'entanglement quantistico e il teletrasporto per trasformarli in mezzi pratici per il trasferimento di dati.
Un progresso è stato la scoperta che una normale rete in fibra ottica poteva essere utilizzata per lo scopo, anche se combinata con il normale traffico InternetCiò apre la possibilità di una telecomunicazione quantistica pratica senza dover costruire una rete parallela dedicata a quella normalmente utilizzata attualmente.
Un altro progresso è la possibilità di collegare in rete i computer quantistici. I ricercatori di Oxford hanno utilizzato fibre ottiche per collegare insieme i qubit e aggrovigliarli, utilizzando fotoni (particelle di luce)Potrebbe aprire la strada ai computer quantistici modulari, in cui ogni sottounità è connessa alle altre.
Limiti e sfide del teletrasporto quantistico
La maggior parte dei dispositivi di teletrasporto quantistico attualmente considerati sono di tipo “lineare”, in cui i fotoni vengono trasferiti direttamente dal punto A al punto B.
Ciò è spesso problematico, poiché questo tipo di trasferimento di fotoni aggiunge intrinsecamente rumore al segnale, compromettendo potenzialmente la comunicazione o rendendola meno efficiente.
Un altro problema è che la maggior parte delle sorgenti di fotoni non produce una singola coppia di fotoni, il che rende complessa la determinazione dell'entanglement.
Come l'ottica non lineare potrebbe trasformare le comunicazioni quantistiche
Un team di ricercatori dell'Università dell'Illinois potrebbe aver creato una nuova fonte di fotoni che migliorerebbe radicalmente le prestazioni delle comunicazioni basate sul teletrasporto quantistico.
Hanno pubblicato i loro risultati su Physical Review Letters1, sotto il titolo “Teletrasporto quantistico fedele tramite un analizzatore di stato di campana non lineare nanofotonico".
L'idea chiave è che questa tecnica aiuta a ridurre il problema dell'emissione di fotoni multipli, rendendo la tecnica più affidabile grazie ai principi fondamentali dell'ottica non lineare.
Comprensione dell'ottica non lineare nella tecnologia quantistica
L'ottica lineare è la scienza ottica comunemente insegnata a scuola, in cui la luce interagisce direttamente con un prisma, ad esempio.
Nell'ottica non lineare, la reazione del mezzo in cui passa la luce dipende dalla lunghezza d'onda, dall'intensità, dalla direzione e dalla polarizzazione della luce.
“Il rumore multifotone si verifica in tutte le fonti di entanglement realistiche e rappresenta un problema serio per le reti quantistiche.
Il fascino dell'ottica non lineare risiede nel fatto che può attenuare l'effetto del rumore multifotone grazie alla fisica sottostante, rendendo possibile lavorare con sorgenti di entanglement imperfette."
I componenti ottici non lineari fanno sì che fotoni di frequenze diverse si combinino e creino nuovi fotoni a frequenze diverse. In questo caso specifico, è stata utilizzata la "generazione di frequenza somma" (SFG).
Fonte: EKSPLA
Fusione di fotoni tramite generazione di frequenza di somma (SFG)
Grazie alla fusione dei fotoni che avviene durante l'SFG, è possibile utilizzare solo le frequenze specifiche di questi fotoni, riducendo notevolmente il rumore generato da più fotoni se si utilizza un'ottica lineare.
Fonte: SciTech Daily
Non si tratta di un'idea nuova, ma finora il problema era che realizzare l'SFG era così difficile che non c'erano mai abbastanza fotoni per costituire un mezzo pratico per trasferire informazioni.
"I ricercatori lo sanno da tempo, ma non è stato ancora pienamente esplorato a causa della bassa probabilità di successo dell'SFG.
In passato, il massimo che si riusciva a ottenere era di 1 su 100 milioni. Il nostro successo sta nel realizzare un aumento di efficienza di conversione di 10,000 volte, portandola a 1 su 10,000, grazie a una piattaforma nanofotonica.
Kejie Fang – Professore associato di ingegneria elettrica e informatica
Nuovi materiali rendono fattibile l'ottica quantistica non lineare
Questo incremento di efficienza di 10,000 volte rende improvvisamente l'ottica non lineare un'opzione praticabile per produrre i fotoni che saranno utilizzati per trasferire dati tramite la misurazione del loro entanglement.
Ciò è stato possibile grazie a un materiale indio-gallio-fosforile sviluppato dai ricercatori.
“Il nostro sistema non lineare trasmette informazioni quantistiche con una fedeltà del 94%, rispetto al limite teorico del 33% dei sistemi che utilizzano componenti ottici lineari”,
Kejie Fang – Professore associato di ingegneria elettrica e informatica
Quale futuro per il teletrasporto e il networking quantistici?
Per ora si tratta di un progresso molto teorico, nel senso che cambia completamente il modo in cui i ricercatori dovranno costruire sistemi di telecomunicazione quantistica in futuro, poiché attualmente tutti i protocolli di rete quantistica (inclusi il teletrasporto quantistico e lo scambio di entanglement) utilizzano un design ottico lineare.
Se a ciò si aggiungono i progressi compiuti nel trasferimento di fotoni intrecciati nelle normali reti in fibra ottica, ciò potrebbe cambiare radicalmente l'affidabilità e l'efficienza di questo metodo di telecomunicazione, avvicinando i computer quantistici interconnessi molto più di quanto si pensasse in precedenza.
Investire nel calcolo quantistico a ioni intrappolati
Man mano che questi progressi nella comunicazione quantistica diventano sempre più realizzabili, aziende come IonQ (IONQ ) si stanno posizionando per commercializzare la tecnologia.
IonQ è un'azienda di calcolo quantistico che utilizza la tecnologia degli ioni intrappolati, fondata da scienziati pionieri nel campo della University of Maryland e della Duke University. È stata quotata in borsa alla Borsa di New York nel 2021.
(IONQ )
Le piattaforme di calcolo quantistico IonQ sono in grado di produrre un risultato di fedeltà del 99.9%. Attualmente utilizza una catena di ioni di bario da 64, producendo un qubit algoritmico (AQ) da 36. L'organizzazione della catena consente un calcolo molto più rapido rispetto ad altri progetti di ioni intrappolati senza perdere fedeltà.
Fonte: IonQ
IonQ ha acquisito Qubitekk nel gennaio 2025, aggiungendo alle sue attività il team dell'azienda e 118 brevetti a IonQ. La specializzazione di Qubitekk è nelle reti quantistiche, utilizzando interconnessioni fotoniche, abilitando cluster quantistici e migliorando le capacità dell'Internet quantistica.
Le reti quantistiche dovrebbero facilitare comunicazioni altamente sicure e, in ultima analisi, consentire il calcolo quantistico distribuito. Considerando la rapidità con cui il settore si sta evolvendo, le competenze e le proprietà intellettuali su questo argomento potrebbero rivelarsi cruciali per il futuro di IonQ.
IonQ sta inoltre sviluppando una partnership con Fotonica NKT (Italiano:) per contribuire allo sviluppo di futuri computer quantistici adatti ai data center.
Collabora anche con Imec sui circuiti fotonici integrati e sulla tecnologia delle trappole ioniche su scala di chip per aumentare il numero di qubit dell'azienda, le dimensioni e i costi del sistema.
Invece di sviluppare un proprio SDK (Software Development Kit), l'azienda supporta contemporaneamente tutti i principali e collabora con molte aziende leader per lo sviluppo di nuove applicazioni di calcolo quantistico.
Fonte: IonQ
Insieme al suo concorrente Quantinuum, parte di Honeywell (HON )IonQ è più vicina allo sviluppo di computer quantistici commerciali, concentrandosi su sistemi a ioni intrappolati ad alta fedeltà e con un numero inferiore di qubit.
IonQ è il titolo più vicino a un titolo puramente dedicato al calcolo quantistico, per gli investitori meno interessati alle attività di altri leader come Google, Intel, IBM o Honeywell.
Il suo successo iniziale ha contribuito a creare una solida rete di partnership con altri innovatori del calcolo quantistico per continuare a far progredire questa tecnologia, con un recente riorientamento verso i computer quantistici in rete.
Poiché le telecomunicazioni basate sull'entanglement quantistico stanno diventando sempre più affidabili, la combinazione di molti computer quantistici a ioni intrappolati ad alta affidabilità potrebbe rappresentare una valida opzione per la prima applicazione commerciale di questa tecnologia.
Notizie e ultimi sviluppi sulle azioni IonQ
Riferimento di studio:
1. Giosuè Akin, Yunlei Zhao, Paul G. Kwiat, Elizabeth A. Goldschmidt e Kejie Fang.(2025) Teletrasporto quantistico fedele tramite un Analizzatore di stato di campana non lineare nanofotonico. Physical Review Letters134, 160802 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.160802
