Phase-Randomized Laser Pulse Generation at 10 GHz for Quantum Photonic Applications

Nel mondo nascosto della comunicazione quantistica, la sicurezza si basa su un principio fondamentale: l'imprevedibilità. Immaginate due persone che cercano di condividere un codice segreto. Per garantire che nessun altro possa indovinarlo, i segnali che inviano devono essere veramente casuali, non solo apparentemente casuali, ma nati dalla natura caotica stessa dell'universo. Uno dei modi più promettenti per creare questi segnali è utilizzare laser che si accendono e si spengono incredibilmente velocemente. Quando un laser viene spento e poi riacceso, la luce che produce dovrebbe avere una "fase" completamente casuale, che è essenzialmente la temporizzazione dei picchi e delle valli dell'onda luminosa. Se questa temporizzazione è casuale, il segnale è sicuro. Tuttavia, c'è un problema. Se il laser lampeggia troppo velocemente, la luce del lampo precedente indugia all'interno del dispositivo, agendo come un fantasma che influenza il lampo successivo. Questa luce residua crea un modello, rendendo i segoli prevedibili e rompendo la sicurezza. Per anni, questo effetto di induzia ha costretto gli scienziati a mantenere i tassi di lampeggio dei laser relativamente lenti, limitando la velocità con cui possono inviare messaggi segreti o generare numeri casuali.

Un team di ricercatori della Toshiba Europe Ltd e dell'Università di Cambridge ha trovato un modo per rompere questo limite di velocità. Hanno scoperto un metodo per costringere il laser a dimenticare il proprio passato, permettendogli di lampeggiare a un tasso di 10 miliardi di volte al secondo pur mantenendo una perfetta casualità. Per ottenere questo, non hanno cercato di pulire la luce residua; invece, hanno inondato il laser con una fonte di luce fresca e caotica proveniente da un dispositivo esterno. Iniettando questa luce esterna, che è generata da un tipo speciale di diodo che emette luce puramente attraverso processi spontanei e casuali, hanno sopraffatto la memoria del laser. Questa luce esterna agisce come un nuovo seme per ogni singolo lampo, assicurando che ogni impulso inizi con una fase completamente fresca e imprevedibile. Il risultato è un laser che può operare a velocità precedentemente ritenute impossibili per le applicazioni quantistiche sicure, rimuovendo efficacementamente il collo di bottiglia che ha frenato la comunicazione quantistica ad alta velocità.

Il team ha testato la loro idea utilizzando un diodo laser standard, un dispositivo che emette luce quando viene applicata elettricità. In una configurazione normale, avrebbero acceso e spento il laser per creare una serie di impulsi luminosi. Quando hanno fatto funzionare questo laser a una velocità moderata di 1 miliardo di lampi al secondo, il sistema ha funzionato come previsto. Gli impulsi luminosi erano casuali e la temporizzazione tra di essi non mostrava alcuna connessione con il lampo precedente. Tuttavia, quando hanno aumentato la velocità a 10 miliardi di lampi al secondo, il sistema è fallito. Gli impulsi hanno iniziato a ricordarsi l'un l'altro. La luce di un lampo era ancora presente quando il successivo iniziava, facendo sì che il nuovo lampo copiasse la temporizzazione del vecchio. Questo ha creato un forte legame tra gli impulsi, distruggendo la casualità necessaria per la sicurezza. A questa velocità elevata, il laser non stava più generando segnali indipendenti; stava semplicemente ripetendo un modello, rendendolo inutile per la comunicazione sicura.

Per risolvere il problema, il team ha introdotto una seconda sorgente di luce: un diodo superluminescente. Questo dispositivo è simile a un laser, ma è progettato per emettere luce che è luminosa e direzionale, pur essendo completamente casuale nella sua temporizzazione, molto simile a una lampadina che è più luminosa e focalizzata. Hanno diretto questa luce casuale nella cavità del laser principale. L'effetto è stato immediato e drammatico. Non appena la luce casuale è entrata nel laser, la connessione tra i lampi è svanita. Anche a 10 miliardi di lampi al secondo, ogni nuovo impulso nasceva dal rumore caotico della luce iniettata piuttosto che dal fantasma di quello precedente. I ricercatori hanno misurato l'intensità della luce in uscita e hanno scoperto che seguiva un modello statistico specifico noto come distribuzione arcsine, che è l'impronta digitale della vera casualità. Senza l'iniezione esterna, il modello era piatto e prevedibile; con essa, il modello è tornato alla forma caotica richiesta per la sicurezza.

Il team ha anche esaminato lo spettro cromatico della luce per capire cosa stesse accadendo all'interno del laser. Quando il laser funzionava troppo velocemente senza aiuto, la luce mostrava una serie di linee nitide e distinte, come i denti di un pettine. Queste linee indicavano che gli impulsi erano perfettamente sincronizzati e ripetevano un modello. Quando hanno aggiunto la luce casuale esterna, queste linee nitide sono scomparse. Lo spettro è diventato una curva liscia e continua, mostrando che gli impulsi non erano più bloccati insieme. La luce esterna aveva avuto successo nello rimescolare la temporizzazione del laser, accelerando il processo attraverso il quale la fase della luce diventa casuale. Ciò ha permesso al laser di resettarsi completamente tra i lampi, anche quando il tempo tra i lampi era incredibilmente breve.

Una preoccupazione legata all'aggiunta di luce extra è che possa rendere la temporizzazione degli impulsi troppo instabile. I ricercatori hanno misurato questo "jitter", o la leggera variazione nel momento in cui arriva ogni impulso. Hanno scoperto che, all'aumentare della quantità di luce iniettata, il jitter aumentava, passando da 4,4 picosecondi a 21,9 picosecondi al livello massimo di iniezione. Tuttavia, hanno determinato che questo livello di instabilità era accettabile. Gli impulsi si sovrapponevano ancora abbastanza da poter essere misurati correttamente, e la casualità era preservata. Il compromesso valeva la pena: una temporizzazione leggermente meno precisa era un piccolo prezzo da pagare per ripristinare la casualità essenziale che rende il sistema sicuro. Il team ha calcolato che questo nuovo metodo potrebbe teoricamente generare numeri casuali a una velocità superiore a 40 miliardi di bit al secondo, un salto enorme rispetto alle capacità attuali.

Questa scoperta affronta un ostacolo fondamentale nello sviluppo delle tecnologie quantistiche. Attualmente, la velocità dei sistemi di distribuzione delle chiavi quantistiche è limitata dalla velocità con cui il laser può essere commutato senza perdere la propria casualità. Risolvendo questo problema, i ricercatori hanno aperto la porta a reti di comunicazione molto più veloci. Sebbene il laser stesso possa ora lampeggiare 10 miliardi di volte al secondo, il resto del sistema, in particolare i rilevatori che catturano la luce, dovrà mettersi al passo per sfruttare appieno questa velocità. Ciononostante, la capacità di generare segnali casuali sicuri a tali velocità elevate è un passo avanti significativo. Suggerisce che le future reti quantistiche potrebbero operare a velocità paragonabili a quelle dell'attuale internet ad alta velocità, portando più vicina la promessa di una comunicazione inattaccabile. Il metodo è semplice e robusto, basandosi sulla fisica fondamentale della luce per superare i limiti di velocità, dimostrando che a volte l'unico modo per andare avanti è introdurre un po' di caos controllato.