Blog

Aug 04, 2023

Notizie su ottica e fotonica

Stewart Wills Un gruppo di ricerca dell'Università di Calgary, Canada, e dell'Università della Florida Centrale, USA, ha modellato il modo in cui i veicoli spaziali ravvicinati nell'orbita terrestre bassa, dotati di specchi per

Stewart Wills

Un gruppo di ricerca dell’Università di Calgary, Canada, e dell’Università della Florida Centrale, USA, ha modellato come veicoli spaziali ravvicinati in orbita terrestre bassa, dotati di specchi per relè di segnale a bassa perdita, potrebbero fungere da “lenti satellitari” orbitanti per consentire reti di comunicazione quantistica a livello mondiale. [Immagine: per gentile concessione di S. Goswami]

I ricercatori e l’industria guardano sempre più alla prospettiva di reti di comunicazione globali che trarrebbero vantaggio dalla sicurezza offerta dalla tecnologia quantistica. Un ostacolo, tuttavia, è stata la mancanza di “ripetitori quantistici” scalabili analoghi a quelli che mantengono attivi i segnali ottici nelle reti in fibra classiche a lungo raggio.

In alternativa, alcuni gruppi di ricerca stanno esaminando le comunicazioni quantistiche basate su satellite, in cui le informazioni quantistiche viaggerebbero su raggi laser tra veicoli spaziali in orbita terrestre bassa (LEO). Eppure anche i sistemi satellitari hanno le loro insidie. La perdita di fotoni nella diffrazione dei raggi laser, così come la curvatura della Terra stessa, limiterebbero probabilmente le distanze realistiche dei collegamenti quantistici ad alta efficienza tra i satelliti LEO a meno di 2000 km.

Ora, i ricercatori Sumit Goswami dell’Università di Calgary, Canada, e Sayandip Dhara dell’Università della Florida Centrale, USA, hanno presentato una proposta che mostra come queste insidie ​​potrebbero essere superate (Phys. Rev. Appl., doi: 10.1103/PhysRevApplied .20.024048). La loro proposta prevede la trasmissione di delicati segnali quantistici attraverso una catena di satelliti relativamente ravvicinati e in movimento sincrono. Questi satelliti, suggeriscono i due, potrebbero effettivamente agire “come una serie di lenti su un tavolo ottico”, concentrando e piegando i raggi lungo la curvatura terrestre e prevenendo la perdita di fotoni su distanze fino a 20.000 km, senza la necessità di ripetitori quantistici.

Mentre Goswami e Dhara si riferiscono metaforicamente ai nodi della loro proposta rete quantistica completamente satellitare (ASQN) come lenti satellitari, in realtà la magia ottica avviene con gli specchi, per mantenere le perdite di fotoni legate all'assorbimento al minimo assoluto. In termini semplificati, un dato satellite della catena invia un raggio di luce a quello successivo, forse a 120 km di distanza. Il satellite successivo cattura e focalizza nuovamente il raggio con uno specchio ricevente e lo rimbalza da due specchi più piccoli a uno specchio trasmittente finale, che trasmette il segnale al satellite successivo della catena.

Secondo la loro proposta, dicono i ricercatori, i satelliti ravvicinati agiscono effettivamente “come una serie di lenti su un tavolo ottico”, concentrando e piegando i raggi lungo la curvatura terrestre e prevenendo la perdita di fotoni dovuta alla diffrazione.

Nella loro modellazione, Goswami e Dhara considerarono una catena di satelliti, ciascuno separato dal successivo da 120 km; data la divergenza del raggio prevista nell'orbita terrestre, ciò implica un diametro del telescopio di 60 cm per ciascun satellite. Il modello del team suggerisce che una tale configurazione di relè, con il segnale quantistico passato da satellite a satellite per riflessione, eliminerebbe virtualmente la perdita di diffrazione su distanze di 20.000 km.

Una volta risolta la perdita di diffrazione, Goswami e Dhara hanno esaminato metodicamente altre potenziali fonti di perdita nel sistema di lenti satellitari. Uno ovvio è la perdita di riflessione di alcuni fotoni sugli specchi stessi, che secondo la coppia potrebbe essere mantenuta gestibile attraverso una configurazione che combina grandi specchi metallici e piccoli specchi di Bragg ad altissima riflettività. Un'altra fonte di perdita risiede negli errori di tracciamento e posizionamento dei satelliti nella catena; tali intoppi dovrebbero essere ridotti al minimo per mantenere i satelliti sincronizzati tra loro.

Un'ultima fonte di perdita non ha nulla a che fare con i satelliti. A seconda dell'architettura della comunicazione quantistica, le informazioni quantistiche devono essere trasmesse da e verso stazioni sulla superficie terrestre. Per i segnali ottici nello spazio libero, ciò apre la prospettiva di perdite di dati dovute alla turbolenza atmosferica, che può aumentare notevolmente le dimensioni e la diffusione del raggio.