Le proprietà nascoste della luce salvano le informazioni quantistiche dal caos del maltempo

I ricercatori dell'Università del Witwatersrand a Johannesburg, in Sud Africa, hanno dimostrato un metodo innovativo per preservare le informazioni quantistiche trasmesse tramite la luce nonostante le perturbazioni ambientali estreme causate dal maltempo e dalle turbolenze atmosferiche. I loro risultati, pubblicati su Physical Review Letters, rivelano che le proprietà topologiche intrinseche della luce possono mantenere l'integrità dei dati quantistici anche quando la forma fisica della luce è interamente distorta. Lo studio affronta una lunga sfida nella comunicazione ottica: la fragilità della luce distorta, che trasporta grandi quantità di informazioni attraverso il suo movimento a spirale.

Conosciuta come momento angolare orbitale (OAM), questa proprietà consente alla luce di codificare i dati in una gamma quasi illimitata di configurazioni. Tuttavia, i segnali basati su OAM sono stati altamente suscettibili al degrado quando passano attraverso atmosfere turbolente o altri media caotici, limitando la loro applicazione pratica in scenari del mondo reale. Il team di ricerca di Wits ha aggirato questo problema spostando l'attenzione dalla struttura fisica della luce ed esaminando invece una caratteristica matematica più astratta, la topologia.

A differenza degli approcci convenzionali che si basavano sulla costruzione di strutture robuste per resistere allo stress ambientale, i ricercatori hanno esplorato se l'innata, fragile torsione della luce potesse ancora supportare un quadro topologico stabile.

"Abbiamo visto i modelli fisici deformarsi sotto turbolenze estreme", ha detto, "e la connessione quantistica tradizionale ha raggiunto un punto di grave deterioramento". "Questa resilienza deriva dalla natura delle proprietà topologiche, che consentono alle strutture di subire una drammatica deformazione senza perdere caratteristiche essenziali". Andrew Forbes, capo del Laboratorio di luce strutturata presso la Wits School of Physics, ha sottolineato il significato di questa scoperta. Ha osservato che anche quando la luce è diventata irriconoscibile a causa di interferenze ambientali, il numero topologico, una misura chiave delle proprietà del sistema, è rimasto inalterato.

Sfruttando la robustezza topologica dell'intreccio OAM, i ricercatori ritengono di poter sbloccare nuove possibilità per sistemi di comunicazione sicuri e ad alta dimensione. Questi sistemi potrebbero potenzialmente offrire livelli di sicurezza senza precedenti contro le intercettazioni e le interferenze, rendendoli ideali per applicazioni che vanno dalle comunicazioni militari al calcolo quantistico. Lo studio si basa su precedenti sforzi per utilizzare OAM per la comunicazione ottica avanzata, ma segna un cambiamento critico nella strategia.

Invece di tentare di proteggere la delicata struttura fisica della luce distorta, il team Wits ha identificato uno strato più profondo di stabilità che esiste indipendentemente dalla forma osservabile della luce. Questo approccio apre la porta allo sviluppo di tecnologie di comunicazione che sono altamente efficienti e notevolmente resistenti alle sfide ambientali. Il team di ricerca prevede di esplorare ulteriormente la scalabilità della loro tecnica, con l'obiettivo di espandere la dimensionalità delle informazioni codificate per una sicurezza e una capacità ancora maggiori.

Il loro lavoro ha già suscitato interesse tra i fisici e gli ingegneri che lavorano sui sistemi di comunicazione di prossima generazione, che vedono potenziali applicazioni nei collegamenti satellitari, nella fibra ottica subacquea e in altri ambienti di trasmissione impegnativi.