Due nuovi laboratori di avanguardia inaugurati dall’Università di Trieste per studiare i sistemi quantistici artificiali

Studiare fenomeni altrimenti inaccessibili e sviluppare nuove soluzioni per le comunicazioni quantistiche su fibra ottica. Questi gli obiettivi di due nuovi laboratori di avanguardia inaugurati presso l’Università di Trieste: il laboratorio ArQuS (Artificial Quantum Systems), in cui saranno studiati sistemi quantistici artificiali tramite il controllo di singoli atomi, e il laboratorio di comunicazione quantistica QCI (Quantum Communication and Information), in cui sarà sviluppata la ricerca e lo sviluppo tecnologico di nuove soluzioni per le comunicazioni quantistiche su fibra ottica e in spazio libero. I laboratori si trovano negli spazi del CNR in Area Science Park di Basovizza (Trieste) e sono diretti da Francesco Scazza, professore associato di Fisica della materia del dipartimento di Fisica di UniTS e da Alessandro Zavatta, senior research scientist dell’Istituto Nazionale di Ottica del CNR (INO-CNR).

Il laboratorio ArQuS (Artificial Quantum Systems), unico in Italia nel suo genere, nasce per realizzare sistemi quantistici artificiali tramite il preciso controllo di singoli atomi di itterbio. Attraverso fasci laser e campi magnetici gli atomi, per natura identici fra loro e molto delicati (al punto che la loro natura quantistica ondulatoria può venire distrutta da qualsiasi disturbo esterno) possono essere rallentati nel loro movimento e così essere osservati minuziosamente, offrendo una preziosa “lente d’ingrandimento” per lo studio di processi e fenomeni altrimenti inaccessibili. Ciò è reso possibile da un apparato sperimentale all’avanguardia all’interno del quale gli atomi vengono isolati dall’ambiente esterno e raffreddati ad una temperatura di solo un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto, catturandoli in vere e proprie trappole basate sulla luce laser.

La radiazione laser, anch’essa un’onda, se opportunamente sincronizzata con l’oscillazione interna dell’atomo, può essere infatti utilizzata per controllare le particelle in maniera estremamente precisa senza distruggerne la natura quantistica, ma anzi sfruttandola per nuove applicazioni tecnologiche. Spiega Francesco Scazza, responsabile del laboratorio: “I sistemi quantistici di atomi freddi realizzati nel laboratorio ArQuS possono essere utilizzati come prototipi per lo studio dell’interazione di un numero elevato di particelle quantistiche, realizzando i cosiddetti simulatori quantistici. Il preciso controllo sui singoli atomi può, inoltre, essere sfruttato per generare stati della materia fortemente correlati, come gli stati entangled a molte particelle, risorsa essenziale per i computer quantistici e gli orologi atomici del futuro”.

Il laboratorio QCI nasce, invece, al servizio della ricerca e dello sviluppo tecnologico di nuove soluzioni per le comunicazioni quantistiche su fibra ottica anche con l’obiettivo di formare gli studenti di fisica e di ingegneria dell’Università di Trieste e di collaborare con i principali enti di ricerca e formazione del settore. Il campo dell’informazione quantistica, una nuova disciplina nata dalla contaminazione tra scienza dell’informazione e meccanica quantistica, è infatti un ambito promettente che negli ultimi anni ha celebrato progressi importanti. Grazie alle strumentazioni presenti nel laboratorio, che consentono di generare chiavi crittografiche quantistiche e di sperimentare comunicazioni ultrasicure, i ricercatori mirano a gettare le basi per realizzare vere e proprie reti quantistiche per la manipolazione e la trasmissione dei dati capaci di garantire la massima sicurezza.

Angelo Bassi, professore ordinario di Fisica teorica, modelli e metodi matematici a UniTS e coordinatore dei progetti che hanno portato alla realizzazione del laboratorio, sottolinea: “Mentre nelle reti informatiche tradizionali i dati possono essere intercettati, in una rete quantistica ciò è impossibile: l’eventuale intrusione sarebbe immediatamente individuata: è una certezza garantita dagli stessi principi della meccanica quantistica. I sistemi di comunicazione quantistica hanno potenzialità immense e scenari di applicazione strategici in contesti politici e commerciali”.

Spiega ancora Alessandro Zavatta, responsabile del laboratorio: “Le comunicazioni quantistiche rappresentano un approccio avanzato e altamente sicuro per la trasmissione di informazioni, sfruttando le peculiari caratteristiche della fisica quantistica. Nel nostro laboratorio, grazie all’utilizzo di strumentazione ottica all’avanguardia, controlliamo e manipoliamo con straordinaria precisione singoli fotoni, gli elementi costitutivi della luce. Questa abilità nel gestire la luce fino al livello di singolo fotone ci consente di implementare schemi di comunicazione sicuri e inviolabili. Nel laboratorio QCI stiamo attualmente sviluppando sistemi innovativi per la distribuzione quantistica delle chiavi crittografiche e per le comunicazioni quantistiche dirette, sia in fibra ottica che in spazio libero. È incoraggiante notare che il nostro impegno non si limita solo a contrastare le attuali minacce, ma si estende anche alla prevenzione di potenziali rischi derivanti dalle tecnologie future, come il progresso dei computer quantistici. Proseguendo su questa strada contribuiremo in modo significativo a garantire la sicurezza delle comunicazioni anche di fronte a scenari sempre più complessi”.

Gianmarco Pondrano Altavilla