Fibra ottica con ricevitore quantistico

La tecnologia delle comunicazioni in fibra ottica con un ricevitore avanzato quantistico potrebbe evitare la mancanza di capacità migliorando la larghezza di banda riducendo il consumo di energia.

La comunicazione è parte integrante della vita umana. Oggi, gli impulsi ottici sono i supporti di informazioni preferiti per le comunicazioni a lunga distanza. La crescita esponenziale dei dati porta a un capacity crunch nei sistemi fisici sottostanti. Uno dei metodi possibili per scoraggiare la crescita esponenziale delle risorse fisiche per la comunicazione è usare la misurazione quantistica, piuttosto che la misurazione classica sul ricevitore. La misurazione quantistica migliora l'efficienza energetica dei protocolli di comunicazione ottica consentendo la discriminazione degli stati ottici coerenti con il tasso di errore di discriminazione al di sotto del limite del rumore di colpo.

In AVS Quantum Science, di AIP Publishing, (1) i ricercatori del National Institute of Standards and Technology e dell'Università del Maryland mostrano come i ricevitori quantistici potenziati potrebbero svolgere un ruolo fondamentale nell'affrontare questa sfida.

Gli scienziati hanno sviluppato un metodo per migliorare i ricevitori basato sulle proprietà della fisica quantistica per aumentare drasticamente le prestazioni della rete riducendo in modo significativo il bit rate di errore (error bit rate - EBR) e il consumo di energia.

La tecnologia in fibra ottica si basa sui ricevitori per rilevare i segnali ottici e convertirli in segnali elettrici. Il processo di rilevamento convenzionale, in gran parte come risultato di fluttuazioni di luce casuali, produce “shot noise”, che riduce la capacità di rilevamento e aumenta l'EBR (error bit rate).

Per risolvere questo problema, i segnali devono essere continuamente amplificati poiché la luce pulsante diventa più debole lungo il cavo ottico, ma c'è un limite al mantenimento di un'amplificazione adeguata quando i segnali diventano appena percettibili.

È stato dimostrato che i ricevitori quantistici che elaborano fino a due bit di informazioni classiche e possono superare il rumore dello sparo migliorano l'accuratezza del rilevamento in ambienti di laboratorio. In questi e altri ricevitori quantistici, viene utilizzato un raggio di riferimento separato con un feedback di rilevamento a fotone singolo, in modo che l'impulso di riferimento alla fine annulli il segnale di ingresso per eliminare il rumore dello sparo.

Il ricevitore potenziato dei ricercatori, tuttavia, può decodificare fino a quattro bit per impulso, perché fa un lavoro migliore nel distinguere tra i diversi stati di ingresso.

Per ottenere un rilevamento più efficiente, hanno sviluppato un metodo di modulazione e implementato un algoritmo di feedback che sfrutta i tempi esatti del rilevamento di un singolo fotone. Tuttavia, nessuna singola misurazione è perfetta, ma il nuovo sistema di comunicazione progettato “olisticamente” produce in media risultati sempre più accurati.

«Abbiamo studiato la teoria delle comunicazioni e le tecniche sperimentali dei ricevitori quantistici per elaborare un protocollo di telecomunicazione pratico che tragga il massimo vantaggio dalla misurazione quantistica», ha detto l'autore, il dottor Sergey Polyakov. (2) «Con il nostro protocollo, poiché vogliamo che il segnale in ingresso contenga il minor numero possibile di fotoni, massimizziamo la possibilità che l'impulso di riferimento si aggiorni allo stato corretto dopo il primo rilevamento di fotone, quindi alla fine della misurazione, l'EBR è ridotto al minimo».

AVS Quantum Science, co-pubblicato da AIP Publishing e AVS, è una rivista veramente intradisciplinare che spazia dalle sue fondamenta nella scienza quantistica a un'ampia gamma di aree dalla materia condensata e fisica atomica, molecolare e ottica, alla biologia, chimica e scienza dei materiali, così come informatica e ingegneria. La rivista pone un forte accento su revisioni mirate e complete e presenta prospettive e ricerche originali.

AVS è una società professionale e interdisciplinare con circa 4.500 membri in tutto il mondo. Fondata nel 1953, AVS ospita riunioni locali e internazionali, pubblica quattro riviste, serve i membri attraverso premi, programmi di formazione e servizi per la carriera e supporta il networking tra professionisti accademici, industriali, governativi e di consulenza. I suoi membri provengono da tutti i campi della chimica, della fisica, della biologia, della matematica, dell'ingegneria e degli affari e condividono un interesse comune per la scienza di base, lo sviluppo tecnologico e la commercializzazione relativi a materiali, interfacce e lavorazione. (3)

Riferimenti:

(1) Practical quantum-enhanced receivers for classical communication

(2) Sergey Polyakov

(3) AVS National Office (Headquarters)

Descrizione foto: Illustrazione che mostra come il rilevamento di un singolo fotone viene utilizzato per il feedback. Una volta stabiliti i parametri corretti per il raggio di riferimento, lo stato dell'ingresso si spegne. - Credit: Ivan Burenkov.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Boosting Fiber Optics Communications with Advanced Quantum-Enhanced Receiver