Il 2025 è stato proclamato dalle Nazioni Unite dell’International Year Of Quantum Science And Technology (IYQST). Una celebrazione globale che vuole promuovere la collaborazione internazionale tra scienziati, industrie, governi e società, con l’obiettivo di accelerare l’innovazione e favorire una maggiore comprensione pubblica delle tecnologie quantistiche, come la fotonica quantistica.
L’IYQST (International Year Of Quantum Science And Technology) nasce con l’obiettivo di mettere in risalto i progressi nella ricerca quantistica e le sue applicazioni in ambiti come il calcolo quantistico, la crittografia, le comunicazioni e la sensoristica. Queste tecnologie, che sfruttano le proprietà delle particelle subatomiche, possiedono il potenziale per trasformare profondamente la vita quotidiana, rivoluzionando il modo in cui comunichiamo, elaboriamo informazioni e comprendiamo il mondo naturale. La fotonica quantistica fonda i suoi dispositivi sulle proprietà quantistiche dei fotoni. Manipolando la luce a livello quantistico, è già stato dimostrato come sia possibile sviluppare tecnologie avanzate che accelerano la transizione verso tecnologie più potenti e sostenibili. Il 2025 celebrerà questi sviluppi, evidenziando il ruolo della fotonica quantistica nel convertire sfide globali in opportunità di progresso.
Tuttavia, le sfide ancora aperte sono molte e complesse. La generazione di singoli fotoni, coppie entangled o stati fotonici coerenti è un compito tecnicamente impegnativo. I fotoni devono essere prodotti con caratteristiche precise, come lunghezza d’onda, polarizzazione e fase, per essere utilizzabili in algoritmi quantistici o nella crittografia quantistica. Gli attuali processi di generazione sono spesso inefficienti o soggetti a rumore. Esiste inoltre il problema della costruzione di sistemi scalabili per il quantum computing e la quantum communication. Integrare un numero crescente di fotoni e operazioni quantistiche in dispositivi ottici senza comprometterne le proprietà quantistiche rappresenta una sfida enorme. I processori fotonici attuali sono limitati a pochi qubit (unità di informazione quantistica) e costruire sistemi con un numero significativo di qubit fotonici richiede progressi significativi nella miniaturizzazione e nella gestione del rumore.
Le perdite di fotoni e la decoerenza (perdita di coerenza quantistica) sono problemi critici: i fotoni possono disperdersi facilmente durante la trasmissione o all’interno dei dispositivi ottici. La perdita di un singolo fotone può compromettere l’intero processo di calcolo o comunicazione. La decoerenza, che può essere causata da interazioni indesiderate con l’ambiente, rappresenta un’altra sfida, poiché degrada rapidamente gli stati quantistici fotonici.
Rivoluzionare calcolo, comunicazione e sicurezza delle informazioni
Un’altra sfida importante è l’integrazione dei sistemi fotonici con altre piattaforme quantistiche, come i qubit basati su atomi, ioni intrappolati o circuiti superconduttori. Per questo obiettivo, si stanno sviluppando tecnologie di interfaccia tra qubit fotonici e qubit di materia. La rilevazione di fotoni a singolo stato è cruciale per molte applicazioni della fotonica quantistica, come le reti di comunicazione sicure e i calcolatori quantistici. Tuttavia, i rilevatori attuali soffrono di inefficienza o producono falsi positivi. Per garantire l’affidabilità di un sistema quantistico, servono rilevatori operanti a temperature prossime allo zero assoluto, con alta efficienza, bassa rumorosità e capacità di distinguere tra fotoni multipli simultaneamente.
La produzione su larga scala di dispositivi fotonici quantistici richiede progressi nella fabbricazione di chip fotonici integrati, con componenti ottici multipli su un singolo chip, che preservino la coerenza degli stati quantistici. Inoltre, mancano ancora standard di produzione, il che rallenta la commercializzazione su larga scala. La Quantum Key Distribution, una delle applicazioni più avanzate della fotonica quantistica, consente la trasmissione sicura di chiavi crittografi che, ma presenta ancora sfide pratiche e tecnologiche: come il limite sulla distanza (circa 100-200 km su fi bra ottica), e lo sviluppo di ripetitori quantistici affidabili. Inoltre, la creazione di reti quantistiche su vasta scala (Quantum Internet) richiede la risoluzione di problemi di sincronizzazione e integrazione tra diverse tecnologie fotoniche e quantistiche.
I costi di ricerca e sviluppo per le tecnologie fotoniche quantistiche sono elevati, poiché le infrastrutture necessarie richiedono ambienti di laboratorio altamente specializzati, con camere a vuoto, dispositivi di raffreddamento a basse temperature e sistemi di controllo ultra-precisi. La transizione dal laboratorio all’industria necessita di investimenti significativi e di una stretta collaborazione tra settore pubblico, privato e accademico. La fotonica quantistica ha il potenziale per rivoluzionare il calcolo, la comunicazione e la sicurezza delle informazioni. Tuttavia, è fondamentale progredire in aree come la generazione di fotoni, la scalabilità dei sistemi, la riduzione delle perdite e l’integrazione con altre tecnologie per sbloccare pienamente il potenziale di questa tecnologia emergente.
di Antigone Marino, Presidente di IEEE Photonics Society Italy Chapter
