L’uso delle leggi della meccanica quantistica per l’immagazzinamento, la manipolazione e la trasmissione dell’informazione potrebbe portare a un notevole avanzamento nella risoluzione di vari problemi, altrimenti impossibili da affrontare con la tecnologia attuale. In questo contesto l’ottica quantistica rappresenta un ottimo approccio sperimentale per la verifica di diversi concetti introdotti nell’ambito dell’informazione quantistica, in quanto i fotoni sono praticamente immuni alla decoerenza e possono essere trasmessi con grande facilità su grandi distanze, sia nello spazio libero che in fibra ottica.
Diverse sono le applicazioni di queste metodologie nel campo della comunicazione e della computazione: il teletrasporto, la crittografia quantistica [1], la simulazione quantistica di fenomeni fisici, la computazione quantistica [2].
Informazione quantistica
Figura 1 – Sorgente di stati di fotoni multipath entangled. Da [5].
Negli ultimi due decenni l’IQ ha compiuto enormi progressi, sia da un punto di vista teorico che sperimentale, e ci si aspetta che possa dare un contributo a diverse aree scientifiche e tecnologiche nel prossimo futuro [4]. Nell’ambito dell’IQ, se da un lato la computazione quantistica è volta a fornire le basi per ottenere capacità computazionali che vadano oltre le possibilità dei computer classici, dall’altro la crittografia quantistica mira a garantire, almeno in via di principio, la capacità di effettuare comunicazioni assolutamente sicure.
L’ottica quantistica è un eccellente banco di prova sperimentale per i concetti dell’informazione quantistica
Da un punto di vista più fondamentale, uno degli scopi principali dell’IQ è approfondire e comprendere gli aspetti sottili della meccanica quantistica al fine di formulare, manipolare, processare e comunicare l’informazione nel modo più efficiente possibile utilizzando sistemi fisici basati sui suoi principi. Questo obiettivo richiede necessariamente un’interfaccia priva di fenomeni di decoerenza tra il mondo microscopico delle singole particelle quantistiche (fotoni, atomi, ecc.) e i sistemi di misura macroscopici che rendono l’informazione accessibile all’uomo.
Un groviglio di qubit
L’IQ si basa sul concetto di quantum bit o qubit, ovvero un sistema quantistico bidimensionale che in generale non possiede i valori definiti di un bit classico $0$ e $1$, ma che si trova in quello che viene chiamato uno stato di sovrapposizione coerente dei due stati di base |0- e |1-. Questo stato presenta proprietà non usuali, in particolare quando si realizza in sistemi composti. Infatti la caratteristica peculiare che identifica la meccanica quantistica è la possibilità di rendere entangled1 qubit differenti. Riconosciuto per primo da Erwin Schrodinger come “il tratto caratteristico della meccanica quantistica”, l’entanglement rappresenta la risorsa chiave per la manipolazione e l’analisi dell’informazione quantistica. Essa deriva dalle correlazioni non-locali tra le diverse parti di un sistema quantistico e racchiude i tre elementi strutturali di base della teoria quantistica, ossia il principio di sovrapposizione, la non-separabilità e la possibilità di accrescere in modo esponenziale lo spazio degli stati con il numero delle sue partizioni. L’entanglement non ha nessun analogo classico. Questa risorsa, associata alle correlazioni non-classiche tra sistemi quantistici separati, può essere sfruttata per scopi crittografici e computazionali che sono impossibili da perseguire con sistemi puramente classici. Uno stato entangled condiviso da due o più partecipanti distinti è una importante risorsa per protocolli di comunicazione quantistica, come ad esempio la crittografia e il teletrasporto.
Ottica Quantistica
Negli ultimi anni, l’Ottica Quantistica (d’ora in poi OQ) si è rivelata un eccellente banco di prova per realizzare sperimentalmente i concetti introdotti nel contesto dell’IQ: gli stati fotonici possono essere facilmente e accuratamente manipolati usando dispositivi ottici lineari e non lineari e possono essere efficientemente misurati per mezzo di rilevatori a singolo fotone [6,7].
Figura 2 – Dispositivo ottico integrato per la manipolazione di stati di fotoni entangled in polarizzazione. Da [15].
Il processo ottico non lineare chiamato spontaneous parametric down conversion (SPDC) costituisce un approccio molto efficace per generare coppie di fotoni entangled. Esso consiste in un effetto attraverso il quale è possibile generare in modo probabilistico coppie di fotoni dall’eccitazione di un cristallo da parte di un fascio laser. Lo stato quantistico di questa coppia di fotoni è uno stato entangled nei gradi di libertà della frequenza e del momento del fotone, ma a seconda dell’interazione non lineare i fotoni possono essere entangled anche in polarizzazione.
Coppie di fotoni entangled hanno costituito lo strumento centrale per diversi esperimenti fondamentali e applicazioni. Una spettacolare e paradigmatica applicazione dell’entanglement è rappresentata dal teletrasporto di uno stato quantistico (QST), proposta dal gruppo di Bennett in [8] e realizzata per la prima volta nel 1997 in due esperimenti differenti a Roma e a Innsbruck [9,10]. Attualmente la crescente proliferazione di applicazioni dell’entanglement quantistico, dalla crittografia quantistica [11] ai campi della metrologia e della litografia quantistica, richiamano la necessità di tecniche innovative che siano anche flessibili e affidabili per generare stati entangled di dimensioni crescenti e per realizzare protocolli ancora più avanzati. Allo stesso tempo l’abilità di generare e manipolare sistemi quantistici di complessità crescente richiede lo sviluppo di tecniche e strumenti finalizzati alla caratterizzazione sia delle sorgenti che dei processi fisici adottati. Un notevole sviluppo è rappresentato dall’implementazione della tecnica di tomografia degli stati quantistici di sistemi a molti qubit e dei processi quantistici a uno e due qubit.
Un approccio fotonico che può essere adottato per elaborare la IQ si basa esclusivamente su componenti ottici lineari come beam-splitter2, beam-splitter polarizzatori e rilevatori di singoli fotoni. In un lavoro fondamentale E. Knill, R. Laflamme e G. J. Milburn hanno mostrato che è possibile realizzare un computer quantistico scalabile con sorgenti e rilevatori di singoli fotoni e con l’uso dell’ottica lineare [6]. Questo lavoro ha rivelato tutta la potenza dell’ottica lineare stimolando una grande quantità di ricerche teoriche e sperimentali che hanno conseguito notevoli risultati tra cui varie realizzazioni sperimentali di una porta logica a due qubit, la cosiddetta Gate Control-NOT (C-NOT) [7].
La sfida tecnologia delle guide d’onda
Figura 3 – Possibile architettura di un processore quantistico realizzato con l’ottica integrata.
La possibiltà di manipolare l’informazione quantistica attraverso i fotoni rappresenta una grande sfida tecnologica poiché richiede la capacità di controllare ciascun sistema quantistico con elevata precisione. Lo sviluppo continuo di sistemi ottici di crescente complessità formati da vari interferometri3, elementi base della tecnologia ottica, richiede l’uso di sistemi miniaturizzati integrati in guida d’onda. Il vantaggio di lavorare con le guide risiede essenzialmente nella loro elevata stabilità di fase e nelle loro ridotte dimensioni, confrontate con quelle di interferometri tradizionali costruiti su sistemi costituiti da specchi e beam-splitter convenzionali.
È stata di recente dimostrata la possibilità di utilizzare guide d’onda in silicio per applicazioni quantistiche [12,13,14]. Tali guide sono infatti state usate per creare un interferometro di alta stabilità e precisione, che realizza una porta logica a due qubit in grado di generare l’entanglement. Più precisamente tali circuiti sono stati utilizzati per realizzare la prima porta logica C-NOT integrata con caratteristiche del tutto confrontabili con il valore teorico aspettato [14].
Più recentemente è stata anche dimostrata la possibilità di utilizzare guide d’onda scritte su vetro attraverso l’uso di laser a femtosecondi di elevata intensità, per la realizzazione di alcuni esperimenti di interferometria quantistica. In particolare il gruppo di Ottica Quantistica del Dipartimento di Fisica dell’Università Sapienza di Roma, in collaborazione con l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR e il Politecnico di Milano, ha realizzato un dispositivo integrato che preserva il grado di polarizzazione dei fotoni guidati [15]. Queste peculiarità permetteranno in futuro il suo possibile utilizzo in protocolli di informazione quantistica, come la crittografia e la computazione quantistica.
