Fisici teorici del Dipartimento di Ingegneria dell'Università di Palermo, in collaborazione con il gruppo del prof. Roberto Morandotti dell’INRS, Montréal, Canada, e con altri gruppi di ricerca in Germania e Giappone, hanno realizzato sperimentalmente una rete fotonica sintetica in grado di generare e manipolare stati quantistici della luce. Questa scoperta, che vede coinvolti il dott. Farzam Nosrati e il prof. Rosario Lo Franco del Dipartimento di Ingegneria, offre prospettive promettenti per applicazioni che spaziano dall'informatica quantistica alle comunicazioni sicure. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Photonics.

«L'entanglement e gli stati non-classici sono risorse fondamentali per il funzionamento delle tecnologie quantistiche – spiegano dal team. Per sfruttare appieno queste risorse, è necessario disporre di circuiti quantistici stabili che possano eseguire operazioni chiave come la generazione di entanglement e la manipolazione degli stati quantistici. I cosiddetti “cammini quantistici”, o quantum walk, hanno dimostrato di essere una piattaforma promettente per il calcolo quantistico universale, aumentando velocità ed efficienza delle operazioni richieste. Tradizionalmente, i quantum walk sono realizzati attraverso percorsi ottici in interferometri, ma la nostra innovazione consiste nell'uso di “reti fotoniche sintetiche”. Queste reti sostituiscono la dimensione reale con una dimensione fotonica artificiale codificata nello stato del fotone, riducendo così la complessità dei dispositivi richiesti».

«Il nostro approccio consente un controllo senza precedenti dei cammini quantistici nello stato temporale e la manipolazione simultanea della luce classica e dei fotoni in stati di entanglement – afferma Roberto Morandotti – Questa scoperta apre la strada a protocolli di informatica e telecomunicazioni quantistiche compatibili con microprocessori su chip».

«Fino ad ora, reti fotoniche sintetiche capaci di manipolare stati quantistici erano difficili da realizzare – commenta Farzam Nosrati – Utilizzando ritardi temporali tra impulsi ottici abbiamo costruito un sistema completamente basato su fibre ottiche che facilita la preparazione e la manipolazione di stati quantistici con tecnologie di telecomunicazione già accessibili». 

«Con il miglioramento della tecnologia, come l'uso di accoppiatori ottici più rapidi, le possibilità di applicazione di questa ricerca si ampliano – aggiunge Rosario Lo Franco – Ciò potrebbe portare a significativi progressi nella progettazione di sistemi quantistici, favorendo l'ingegnerizzazione di reti fotoniche temporali capaci di generare, elaborare, e rilevare stati di entanglement con dimensioni elevate.

In sintesi, il nostro lavoro rappresenta un passo importante nella manipolazione dell’informazione quantistica, contribuendo allo sviluppo di settori come il calcolo quantistico, la metrologia e le comunicazioni quantistiche sicure.

Vorrei sottolineare – prosegue Lo Franco – come questi risultati siano stati favoriti dal lavoro congiunto di coordinamento della ricerca da parte mia e del prof. Morandotti all’interno del dottorato in Information and Communication Technologies (ICT) del Dipartimento di Ingegneria, durante il quale il dott. Farzam Nosrati ha potuto lavorare all’INRS di Montreal per il completamento del suo dottorato di ricerca. Mi fa anche piacere ricordare che la dott.ssa Stefania Sciara, co-autrice dello studio e adesso ricercatrice all’INRS, è stata anch’essa una brillante dottoranda in ICT del nostro Dipartimento. Questo dimostra come il programma di dottorato di ricerca in ICT crei fruttuose collaborazioni tra gruppi diversi, sia teorici che sperimentali».  

La ricerca è supportata dal MUR - Ministero dell’Università e della Ricerca tramite i progetti PNRR: ICON-Q, Partenariato Esteso NQSTI, Spoke 2, di cui Rosario Lo Franco è Responsabile scientifico; AQuSDIT, Partenariato Esteso SERICS, Spoke 5; PRISM, Partenariato Esteso RESTART, Spoke 4.