Computing
Il futuro della comunicazione quantistica: Teletrasporto di singoli fotoni spiegato
Che cos'è il teletrasporto quantistico e come funziona?
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, qualcosa 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, sembra persino che lo scambio di informazioni avvenga più velocemente della luce, qualcosa di 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.
Lo stato attuale della tecnologia del teletrasporto quantistico
Scoperte che rendono possibile il trasferimento pratico di dati quantistici
Sono stati compiuti recenti progressi per sfruttare l'entanglement e il teletrasporto quantistici in mezzi pratici per trasferire dati.
Un progresso è stato la scoperta che una rete di fibra ottica ordinaria potrebbe essere utilizzata per questo compito, anche quando mescolata con il traffico Internet regolare. Questo apre la possibilità di telecomunicazioni quantistiche pratiche senza dover costruire una rete parallela dedicata a quella normale attualmente utilizzata.
Un altro progresso è la possibilità di collegare insieme i computer quantistici. I ricercatori di Oxford hanno usato fibre ottiche per collegare insieme i qubit e farli entangolare, usando fotoni (particelle di luce). Potrebbe aprire la strada a computer quantistici modulari, con ogni sotto-unità collegata insieme.
Limitazioni e sfide del teletrasporto quantistico
La maggior parte dei dispositivi di teletrasporto quantistico attualmente considerati sono del tipo “lineare”, dove i fotoni sono trasferiti direttamente dal punto A al punto B.
Ciò è spesso problematico, poiché questo tipo di trasferimento di fotoni aggiunge intrinsecamente rumore al segnale, potenzialmente facendo fallire la telecomunicazione, o almeno rendendola meno efficiente.
Un altro problema è che la maggior parte delle sorgenti di fotoni non produrrà una singola coppia di fotoni, rendendo complesso determinare l'entanglement.
Come l'ottica non lineare potrebbe trasformare le comunicazioni quantistiche
Un team di ricercatori dell'Università dell'Illinois potrebbe aver creato una nuova sorgente di fotoni che migliorerebbe radicalmente le prestazioni delle comunicazioni basate sul teletrasporto quantistico.
Hanno pubblicato i loro risultati su Physical Review Letters1, con il titolo “Teletrasporto quantistico fedele tramite un analizzatore di stato di Bell non lineare nanofotonico”.
Comprendere l'ottica non lineare nella tecnologia quantistica
L'ottica lineare è la scienza ottica regolare insegnata a scuola, dove la luce interagisce direttamente con un prisma, ad esempio.
Nell'ottica non lineare, la risposta del mezzo attraverso cui passa la luce dipende dalla lunghezza d'onda, dall'intensità, dalla direzione e dalla polarizzazione della luce.
“Il rumore multiphoton si verifica in tutte le sorgenti di entanglement realistiche, ed è un problema serio per le reti quantistiche.
Il vantaggio dell'ottica non lineare è che può mitigare l'effetto del rumore multiphoton grazie alla fisica sottostante, rendendo possibile lavorare con sorgenti di entanglement imperfette.
Elizabeth Goldschmidt – professoressa di fisica dell'Illinois
I componenti ottici non lineari fanno sì che fotoni di frequenze diverse si combinino e creino nuovi fotoni a nuove frequenze. In questo caso specifico, è stata utilizzata la “generazione di somma di frequenza” (SFG).
Fonte: EKSPLA
Fusione di fotoni tramite generazione di somma di frequenza (SFG)
Grazie alla fusione dei fotoni che avviene durante il SFG, solo le frequenze di questi specifici fotoni possono essere utilizzate, riducendo notevolmente il rumore da più fotoni che si verificherebbe usando l'ottica lineare.
Fonte: SciTechDaily
Non è un'idea nuova, ma il problema finora era che far avvenire il SFG era così difficile che non c'erano mai abbastanza fotoni per essere un mezzo pratico di trasferimento di informazioni.
“I ricercatori conoscono questo da molto tempo, ma non è stato pienamente esplorato a causa della bassa probabilità di SFG riuscito.
In passato, il miglior risultato era 1 su 100 milioni. Il nostro risultato è realizzare un aumento di fattore 10.000 nell'efficienza di conversione, arrivando a 1 su 10.000 con una piattaforma nanofotonica.
Kejie Fang – professore associato di ingegneria elettrica e informatica
Nuovi materiali che rendono fattibile l'ottica quantistica non lineare
Questo aumento di efficienza di 10.000 volte rende improvvisamente l'ottica non lineare un'opzione praticabile per produrre i fotoni che saranno usati per trasferire dati attraverso la misurazione del loro entanglement.
È stato ottenuto grazie a un materiale di indio-gallio-fosfuro sviluppato dai ricercatori.
“Il nostro sistema non lineare trasmette informazioni quantistiche con una fedeltà del 94%, rispetto al limite teorico del 33% nei sistemi che utilizzano componenti ottici lineari,”
Kejie Fang – professore associato di ingegneria elettrica e informatica
Cosa ci riserva il futuro per il teletrasporto quantistico e le reti?
Per ora si tratta di un progresso molto teorico, nel senso che cambia completamente il modo in cui i ricercatori dovranno costruire i 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.
Combinato con i progressi fatti nel trasferimento di fotoni entangled in reti di fibra ottica regolari, ciò potrebbe cambiare radicalmente l'affidabilità e l'efficienza di questo metodo di telecomunicazione, avvicinando molto di più i computer quantistici interconnessi rispetto a quanto si pensasse possibile.
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 una società di calcolo quantistico che utilizza la tecnologia a ioni intrappolati, fondata da scienziati pionieri del settore provenienti dall'Università del Maryland e dalla Duke University. È stata quotata pubblicamente al NYSE nel 2021.
(IONQ )
Le piattaforme di calcolo quantistico di IonQ sono in grado di produrre risultati con una fedeltà del 99,9%. Attualmente utilizza una catena di 64 ioni di bario, producendo un qubit algoritmico (AQ) da 36. L'organizzazione a catena consente un calcolo molto più rapido rispetto ad altri design a ioni intrappolati senza perdere fedeltà.
Fonte: IonQ
IonQ ha acquisito Qubitekk a gennaio 2025, aggiungendo alle sue operazioni il team dell'azienda e 118 brevetti a IonQ. La specialità di Qubitekk è nelle reti quantistiche, usando interconnessioni fotoniche, abilitando cluster quantistici e avanzando le capacità di internet quantistico.
Le reti quantistiche dovrebbero facilitare comunicazioni altamente sicure e, in ultima analisi, consentire il calcolo quantistico distribuito. Considerando la rapidità con cui il settore sta evolvendo, l'expertise e i brevetti su questo tema potrebbero rivelarsi cruciali per il futuro di IonQ.
IonQ sta anche sviluppando una partnership con NKT Photonics (NKT.CO) per aiutare a sviluppare futuri computer quantistici pronti per i data center.
Collabora anche con Imec su circuiti fotonici integrati e tecnologia di trappola ionica su scala chip per aumentare il numero di qubit dell'azienda, le dimensioni del sistema e i costi.
Invece di sviluppare il proprio SDK (Software Development Kit), l'azienda supporta tutti i principali contemporaneamente e collabora con molte aziende leader per sviluppare nuove applicazioni di calcolo quantistico.
Fonte: IonQ
Insieme al suo concorrente Quantinuum, parte di Honeywell (HON ), IonQ è più vicino a sviluppare computer quantistici commerciali, con un focus su sistemi a ioni intrappolati ad alta fedeltà e con un numero inferiore di qubit.
IonQ è l'azione di calcolo quantistico più pura per gli investitori meno interessati alle attività di altri leader come Google, Intel, IBM o Honeywell.
Il suo successo precoce ha contribuito a costruire una solida rete di partnership con altri innovatori del calcolo quantistico per continuare a spingere avanti questa tecnologia, con un recente riorientamento verso computer quantistici in rete.
Man mano che le telecomunicazioni basate sull'entanglement quantistico diventano sempre più affidabili, la combinazione di molti computer quantistici a ioni intrappolati ad alta affidabilità potrebbe rappresentare un'opzione solida per la prima applicazione commerciale di questa tecnologia.
Notizie azionarie IonQ e ultimi sviluppi
Riferimento allo studio:
1. Joshua Akin, Yunlei Zhao, Paul G. Kwiat, Elizabeth A. Goldschmidt, and Kejie Fang.(2025) Teletrasporto quantistico fedele tramite un analizzatore di stato di Bell non lineare nanofotonico. Physical Review Letters134, 160802 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.160802
