E’ apparso sulla prestigiosa rivista “Nature” dello scorso 29 giugno, il lavoro “On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control”, frutto di una vasta collaborazione internazionale guidata da Roberto Morandotti e José Azana del canadese INRS (Institut National de la Recherche Scientifique) e che vede fra gli autori la dottoranda Stefania Sciara e il suo tutor Alfonso Cino, afferenti il Laboratorio LOOX (Laboratory of Optics and OptoelectroniX) del DEIM (Dipartimento di Energia, Ingegneria dell'Informazione e modelli Matematici) del nostro Ateneo. Questo risultato arricchisce il fruttuoso partenariato fra il gruppo di ricerca di Morandotti e quello del LOOX, guidato da Alessandro Busacca, partenariato che oltre ad altri risultati scientifici di grande rilievo ha permesso l’avvio del nostro dottorato internazionale in “Information and Communication Technology” in cui è oggi inserita Stefania Sciara.

L’attività di ricerca ha portato, per la prima volta, alla fabbricazione di un sistema a microchip fotonico che permette la generazione di coppie di fotoni quantisticamente accoppiati (“entangled”) e multilivello: si tratta dei cosiddetti “qudits”, ciascuno con una dimensione pari a 10, così che ogni coppia ha una dimensionalità complessiva pari a 100, ovvero una capacità di rappresentare l’informazione equivalente a quasi sette bit. I “qudits” sono alla base delle ricerche sui computer quantistici, in particolare per la loro capacità di rappresentare in tale modalità “intrinsecamente parallela” l’informazione, rendendo allo stesso tempo possibile anche una modalità di elaborazione simultanea dell’informazione stessa, così da aprire la strada verso potenze di calcolo inimmaginabili con i computer convenzionali.

Il “cuore” del microchip è stato fabbricato con le usuali tecnologie della microelettronica adoperate per i circuiti integrati, ed è costituito da una guida di luce circolare del diametro di 270 micron, che svolge la funzione di risonatore ottico, alimentata da una sorgente laser nell’infrarosso. Le coppie di fotoni “entangled” generate vengono successivamente elaborate attraverso dispositivi comunemente adoperati nei sistemi di telecomunicazione in fibra ottica commerciali, come modulatori di fase, filtri programmabili e rivelatori/contatori di fotoni.

Proprio il ricorso a tecnologie facilmente accessibili e a ordinari dispositivi fotonici commerciali, diversamente dal caso di precedenti implementazioni di calcolo quantistico basate su costose e sofisticate soluzioni di alta tecnologia, rappresenta - come ha dichiarato Roberto Morandotti - uno degli aspetti più sorprendenti del nuovo sistema a microchip dimostrato, oltre a dare la prospettiva di un rapido ulteriore sviluppo per il convergere degli sforzi di altri gruppi di ricerca su tale tipo di soluzioni. D’altra parte, il sistema sviluppato si presta all’immediata applicazione per ricerche fondamentali sulla non località quantistica, sulla caratterizzazione di stati quantistici di dimensione elevata o per la realizzazione di collegamenti per comunicazione quantistica ad ampio alfabeto di simboli in fibra ottica. Quest’ultima applicazione è stata, peraltro, già dimostrata in uno degli esperimenti riportati nel lavoro in questione, relativo alla corretta trasmissione dei fotoni “entangled” multilivello lungo una tratta di fibra ottica di ben 24 km.

Il riferimento completo della pubblicazione è il seguente: Michael Kues, Christian Reimer, Piotr Roztocki, Luis Romero Cortés, Stefania Sciara, Benjamin Wetzel, Yanbing Zhang, Alfonso Cino, Sai T. Chu, Brent E. Little, David J. Moss, Lucia Caspani, José Azaña & Roberto Morandotti, “On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control”, Nature 546, 622–626, (29 June 2017), doi:10.1038/nature22986

mentre la versione digitale è disponibile sul sito di Nature, al segue link:

http://www.nature.com/nature/journal/v546/n7660/full/nature22986.html