La ricerca, che consente a memorie quantistiche distanti di scambiare informazioni quantistiche, può costituire un passo avanti verso una versione quantistica di Internet in cui i fotoni che viaggiano lungo le fibre ottiche standard vengono utilizzati per connettere computer quantistici spazialmente separati.
Tre nuovi protocolli per generare entanglement quantistico verificabile tra due nodi in una rete sono stati sviluppati in modo indipendente da team in Cina, Europa e Stati Uniti.
La ricerca, che consente a memorie quantistiche distanti di scambiare informazioni quantistiche, può costituire un passo avanti verso una versione quantistica di Internet in cui i fotoni che viaggiano lungo le fibre ottiche standard vengono utilizzati per connettere computer quantistici spazialmente separati.
Nel 2020, ad esempio, Xiao-Hui Bao e colleghi del gruppo di Jian-Wei Pan presso l’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC) hanno impigliato due insiemi di atomi di rubidio-87 in celle a vapore utilizzando fotoni che avevano attraversato 50 km di fibra ottica commerciale.
La creazione di un ripetitore quantistico funzionale è più complessa, tuttavia: “Molti di questi lavori che parlano di distribuzione su 50, 100 o 200 chilometri parlano solo dell’invio di fotoni entangled, non dell’interfacciamento con una rete completamente quantistica dall’altra parte”, spiega Can Knaut, dottorando presso l’Università di Harvard e membro del team statunitense.
Nel loro ultimo lavoro, pubblicato su Nature insieme a quello del team di Harvard, Bao e colleghi presentano un sistema più praticabile.
In ogni nodo, utilizzano uno schema chiamato protocollo Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) che prevede l’iniezione di un impulso laser in ciascuno dei loro insiemi atomici.
Questo impulso di “scrittura” è composto da molti fotoni, spiega Bao, e c’è una piccola possibilità che ecciti un atomo in un altro stato.
L’atomo eccitato emette quindi spontaneamente un fotone, diventando entangled con uno stato collettivo dell’insieme atomico nel processo.
I fotoni emessi vengono quindi inviati a un nodo centrale, dove viene eseguita una misurazione che raggruppa i due insiemi.
Nel nuovo lavoro, hanno stabilizzato le fasi di laser indipendenti in tre posizioni a circa 12,5 km di distanza intorno a un nodo centrale e hanno dimostrato di poter raggruppare gli insiemi in tutti loro. «Utilizzando gli insiemi atomici è piuttosto facile convertire da qubit atomici a singoli fotoni», osserva Bao.
Gli altri due team hanno lavorato con memorie quantistiche a stato solido ricavate da cristalli. Il primo, guidato da Ronald Hanson di QuTech nei Paesi Bassi, memorizza lo stato del qubit nello stato elettronico di un centro di cristalli di azoto, come descritto in un recente preprint di arXiv.
Il secondo, guidato da Mikhail Lukin di Harvard, utilizza il silicio.
“Se non puoi memorizzare il tuo entanglement più a lungo di un paio di centinaia di microsecondi è essenzialmente inutile, perché nel momento in cui vuoi iniziare a usarlo è già sparito”, afferma Knaut.
Il team di Harvard ha aggirato questo problema utilizzando qualcosa chiamato porta PHONE (Photon-Nucleus Entangling), che i membri del gruppo di Lukin hanno inventato nel 2022.
“Questa porta PHONE utilizza lo spin dell’elettrone, ma solo temporaneamente come interfaccia: trasferisce immediatamente l’informazione allo spin nucleare, e lo spin nucleare è molto longevo”, dice Lukin.
“Quando il fotone arriva al primo nodo, rimane intrappolato. Poi il fotone arriva a un altro nodo, si crea un’altra porta logica tra il fotone e la memoria, e poi alla fine si misura un fotone”.
Chris Monroe della Duke University, negli Stati Uniti, che non è stato coinvolto in nessuno dei lavori, trova interessante un aspetto: “I sistemi quantistici sono molto discriminanti: funzionano con colori di luce molto specifici e in genere non tendono ad essere [lunghezze d’onda] di telecomunicazione”, dice.
“Ognuno di questi gruppi ha convertito il fotone nativo in un fotone delle telecomunicazioni e questo ha permesso loro di percorrere una lunga distanza”.
Immagine: iStock/matejmo
