a, Three network nodes, Alice (A), Bob (B) and Charlie (C), are connected by means of optical fibre links (lines) in a line configuration. Each setup has a communication qubit (purple) that enables entanglement generation with its neighbouring node. Furthermore, Bob and Charlie contain a memory qubit (yellow). b, The steps of the teleportation protocol. (1) We prepare the teleporter by establishing entanglement between Alice and Charlie using an entanglement swapping protocol on Bob, followed by swapping the state at Charlie to the memory qubit. (2) The qubit state to be teleported is prepared on the communication qubit on Charlie. (3) A BSM is performed on Charlie’s qubits and the outcome is communicated to Alice over a classical channel. Dependent on this outcome, Alice applies a quantum gate to obtain the teleported qubit state.
Alcuni scienziati sono riusciti a utilizzare il teletrasporto in una rete quantistica a tre nodi, un tassello importante per il futuro di queste reti.
Un gruppo di ricerca, sostenuto dai progetti QIA e QNETWORK, finanziati dall’UE, ha dimostrato il modo per teletrasportare le informazioni quantistiche tra due nodi privi di collegamento diretto.
Il lavoro, pubblicato sulla rivista Nature, è un passo avanti verso un sistema Internet quantistico, che garantirà una comunicazione più rapida e sicura.
Proprio per come avviene con le reti informatiche attuali, i computer quantistici dovranno essere collegati per trasferire bit quantistici, o qubit, di informazioni tra l’uno e l’altro, da un luogo (nodo) a un altro.
Se si utilizza la fibra ottica tradizionale, la perdita di fotoni al suo interno provoca a sua volta una perdita di informazioni.
L’ostacolo può essere aggirato sfruttando un fenomeno noto come entanglement quantistico (o correlazione quantistica), che permette di connettere due nodi separati da ampie distanze, teletrasportando le informazioni dall’uno all’altro.
Per poter teletrasportare i qubit tra i nodi, occorre modificare il qubit del mittente attraverso la cosiddetta misurazione dello stato di Bell (MSB).
In questo modo, lo stato quantico del qubit scompare dal nodo del mittente e riappare in quello del ricevente in forma crittografata.
Infine, l’esito della MSB è inviato al ricevente attraverso un altro canale, come la fibra ottica, spiegando le operazioni da eseguire per decrittografare lo stato quantistico, e dunque le informazioni teletrasportate.
Charlie
Questa operazione era già stata svolta in passato con due nodi adiacenti, soprannominati Alice e Bob. Ora i ricercatori hanno dimostrato la possibilità di teletrasportare qubit tra Alice e un terzo nodo, Charlie, creando un entanglement tra i due attraverso Bob.
Per l’esperimento di teletrasporto, il team di ricerca ha utilizzato una rete quantistica a tre nodi creata nel 2021 presso l’istituto di ricerca neerlandese QuTech (fondato dall’Università tecnologica di Delft, coordinatrice dei progetti QIA e QNETWORK, insieme all’organizzazione di ricerca indipendente TNO).
Tuttavia, ha dovuto prima di tutto effettuare alcuni aggiornamenti per ottenere una elevata affidabilità delle informazioni teletrasportate.
I ricercatori hanno dunque risolto il problema dei falsi segnali di annuncio causati da un secondo fotone indesiderato, hanno affrontato la questione della diffusione spettrale e migliorato la protezione dei qubit di memoria e la procedura di lettura dei qubit.
Questa serie di miglioramenti ha permesso di teletrasportare qubit tra i nodi di Alice e Charlie, non adiacenti.
In primo luogo, il team ha creato una correlazione quantistica tra il qubit di Alice e quello di Charlie, attraverso il qubit di Bob.
La misurazione dello stato di Bell è poi stata applicata al qubit di Charlie, permettendo di teletrasportare il suo stato quantico ad Alice.
Successivamente, il gruppo di ricerca ha inviato l’esito della misurazione di Bell ad Alice e recuperato le informazioni crittografate con una fedeltà di circa il 71 %. Secondo quanto riportato da un articolo pubblicato su Physics World, il prossimo obiettivo del Ronald Hanson, dell’Università tecnologica di Delft, autore senior dello studio, e tra i fondatori di QuTech, sarà quello di aumentare il numero di qubit di memoria e collaudare la tecnologia in una rete reale.
«Stiamo anche collaborando con un gruppo di informatici per sviluppare uno stack di controllo della rete quantistica, simile alla serie di strati di controllo alla base di Internet», osserva Hanson. Il lavoro, realizzato con il sostegno dei progetti QIA (Quantum Internet Alliance) e QNETWORK (Quantum networks wired by multi-spin entanglement), rappresenta un tassello importante per le reti quantistiche del futuro e apre la strada alla ricerca sui protocolli e sulle applicazioni multi-nodo fondati sul teletrasporto.
Pubblicazioni
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04697-y
https://physicsworld.com/a/quantum-teleportation-expands-beyond-neighbouring-nodes/
Sito del progetto
