L'USTC raggiunge una svolta storica nei ripetitori quantistici del 2026

All'inizio del 2026, i ricercatori della University of Science and Technology of China (USTC) hanno raggiunto una svolta epocale nel calcolo quantistico e nella comunicazione, dimostrando un blocco costruttivo scalabile per i ripetitori quantistici. Questo progresso, pubblicato sulla rivista Nature, ha utilizzato memorie quantistiche a ioni intrappolati a lunga durata e interfacce di telecomunicazione efficienti per stabilire l'entanglement su 10 chilometri di fibra ottica. Superando la rapida decoerenza degli stati quantistici remoti, il team guidato da Hao Li, Yi Yang e Ye Wang ha fornito la prima prova pratica che le reti quantistiche su scala metropolitana sono fisicamente e tecnologicamente realizzabili.

La visione di un Internet Quantistico globale si basa sull'integrazione perfetta della comunicazione quantistica, della metrologia quantistica e del calcolo quantistico distribuito. Una rete di questo tipo promette un cambio di paradigma nel modo in cui l'informazione viene elaborata e protetta, offrendo rilevamenti ad alta risoluzione e accelerazioni esponenziali nei compiti computazionali. Tuttavia, la base fisica di questa rete richiede la distribuzione deterministica dell'**entanglement** — un fenomeno in cui le particelle rimangono connesse indipendentemente dalla distanza — attraverso vaste aree geografiche. Fino a poco tempo fa, l'infrastruttura necessaria per mantenere queste fragili connessioni su lunghe distanze rimaneva l'anello mancante più significativo del settore.

In che modo i ripetitori quantistici risolvono la perdita di fotoni nelle fibre ottiche?

I ripetitori quantistici superano la perdita di fotoni nelle fibre ottiche dividendo i lunghi collegamenti di comunicazione in segmenti più brevi e utilizzando lo scambio di entanglement per connetterli senza amplificare direttamente il segnale. Utilizzando memorie quantistiche per archiviare informazioni in attesa della conferma del collegamento riuscito, questi ripetitori prevengono la decoerenza che si verifica tipicamente durante la trasmissione a lunga distanza. Questo metodo bypassa efficacemente il teorema di no-cloning, che impedisce l'amplificazione degli stati quantistici nello stesso modo in cui vengono potenziati i segnali classici.

Nelle telecomunicazioni tradizionali in fibra ottica, la perdita di segnale viene gestita tramite amplificatori che aumentano l'intensità della luce. Nel campo del calcolo quantistico e della comunicazione, tuttavia, gli amplificatori standard non possono essere utilizzati perché qualsiasi tentativo di copiare o amplificare uno stato quantistico distrugge l'informazione originale. Questa perdita esponenziale di fotoni nelle fibre di vetro ha storicamente limitato la comunicazione quantistica basata su fibra a portate relativamente brevi. I ripetitori quantistici affrontano questo problema generando entanglement all'interno dei segmenti locali e poi "scambiando" tale entanglement con il segmento successivo, creando un collegamento continuo che può coprire centinaia o addirittura migliaia di chilometri senza la necessità di clonare il segnale.

Quali recenti scoperte sono avvenute nei ripetitori quantistici nel 2026?

La principale svolta del 2026 ha riguardato lo sviluppo di memorie a ioni intrappolati a lunga durata e di un protocollo di entanglement a singolo fotone ad alta visibilità per stabilire l'entanglement memoria-memoria su 10 km. Questa ricerca, a firma di Hao Li e colleghi, ha raggiunto tempi di vita dell'entanglement che superano il tempo richiesto per l'instaurazione, risolvendo il collo di bottiglia critico della rapida decoerenza nelle memorie quantistiche remote. Ciò segna una transizione dai progetti teorici di laboratorio a hardware funzionali capaci di supportare reti di calcolo quantistico su scala metropolitana.

La metodologia impiegata dal team della USTC ha coinvolto diverse innovazioni tecnologiche chiave. In primo luogo, hanno utilizzato la tecnologia a ioni intrappolati, che offre tempi di coerenza significativamente più lunghi rispetto ad altri sistemi a stato solido. In secondo luogo, hanno sviluppato un'interfaccia di telecomunicazione efficiente che converte gli stati quantistici interni degli ioni in fotoni compatibili con l'infrastruttura in fibra ottica esistente. Ciò ha permesso ai ricercatori di mantenere l'entanglement memoria-memoria su un collegamento in fibra di 10 km entro il tempo medio necessario per stabilire tale entanglement. Questa sincronizzazione è un prerequisito fondamentale per la scalabilità della rete, poiché garantisce che l'informazione quantistica non scompaia prima che il collegamento successivo nella catena sia pronto.

In che modo i ripetitori quantistici permetteranno la QKD indipendente dal dispositivo?

I ripetitori quantistici consentono la distribuzione di chiavi quantistiche indipendente dal dispositivo (DI-QKD) estendendo la distribuzione dell'entanglement ad alta fedeltà su distanze impossibili per i collegamenti diretti in fibra. Validando un tasso di chiave segreta positivo oltre i 101 chilometri nel limite asintotico, il team della USTC ha dimostrato che i ripetitori quantistici possono facilitare comunicazioni "non hackerabili". Ciò garantisce che la sicurezza della comunicazione sia garantita dalle leggi della fisica, indipendentemente dalle imperfezioni interne dell'hardware.

La dimostrazione pratica della DI-QKD su scala metropolitana è forse l'applicazione immediata più significativa di questa ricerca. Il team ha estratto con successo 1.917 chiavi segrete da circa 405.000 coppie di Bell su una distanza di 10 km. In precedenza, la DI-QKD era fortemente limitata dalla distanza; questa nuova ricerca estende la portata raggiungibile di oltre due ordini di grandezza. Per la sicurezza dei dati governativi, finanziari e personali, ciò rappresenta un passaggio verso un futuro in cui la crittografia quantistica protegge i dati anche dai tentativi di hacking classico o quantistico più sofisticati.

Le implicazioni per il campo del calcolo quantistico sono profonde, poiché questi ripetitori fungono da "blocchi costruttivi" fondamentali per un'architettura scalabile. Dimostrando che l'entanglement può essere stabilito e mantenuto abbastanza a lungo per la purificazione e lo scambio, Hao Li e i suoi colleghi hanno fornito un modello per reti a più nodi. La capacità di raggiungere un tasso di chiave positivo su 101 km suggerisce che ci stiamo avvicinando al punto in cui i nodi quantistici potranno essere posizionati a intervalli simili agli attuali hub internet classici, consentendo un'infrastruttura ibrida che traghetti il mondo dalla comunicazione classica a quella quantistica sicura.

Guardando al futuro, il focus della ricerca nel calcolo quantistico si sposterà verso l'integrazione di questi moduli ripetitori nelle reti commerciali in fibra esistenti. Il "prossimo passo" per il team della USTC e la comunità scientifica più ampia prevede l'ottimizzazione del processo di purificazione dell'entanglement per aumentare ulteriormente il tasso di chiavi segrete ed estendere la rete fino a includere più nodi in una configurazione a maglia. Man mano che questi sistemi passeranno da 10 km a 100 km e infine su scala globale, il sogno di un Internet Quantistico sicuro e interconnesso passerà dal regno della fisica teorica alla realtà delle telecomunicazioni globali.

• Ricerca primaria: Un blocco costruttivo di ripetitori quantistici per reti quantistiche scalabili.
• Autori principali: Hao Li, Yi Yang, Ye Wang (USTC).
• Traguardo chiave: Entanglement in fibra a 10 km con capacità asintotica di 101 km.
• Tecnologia: Memorie quantistiche a ioni intrappolati e conversione dell'interfaccia di telecomunicazione.
• Applicazione di sicurezza: Svolta nella distribuzione di chiavi quantistiche indipendente dal dispositivo (DI-QKD).