Fisici presso LMU, insieme ai colleghi della Saarland University, hanno dimostrato con successo il trasporto di uno stato entangled tra un atomo e un fotone attraverso una fibra ottica su una distanza fino a 20 km, stabilendo così un nuovo record.

L'entanglement descrive un tipo molto particolare di stato quantistico che non è attribuito a una singola particella da sola, ma che è condiviso tra due particelle diverse. Collega irrevocabilmente insieme i loro destini successivi, non importa quanto distanti siano, il che ha portato Albert Einstein a chiamare il fenomeno come "azione spettrale a distanza". L'entanglement è diventato una pietra angolare delle nuove tecnologie basate su effetti a livello quantistico e la distribuzione su lunghe distanze è un obiettivo centrale nella comunicazione quantistica. Ora i ricercatori della LMU guidati dal fisico Harald Weinfurter, in collaborazione con un team dell'Università del Saarland a Saarbrücken, hanno dimostrato che lo stato entangled di un atomo e di un fotone può essere trasmesso tramite una fibra ottica (come quelle utilizzate nelle reti di telecomunicazioni) su una distanza fino a 20 km. Il record precedente era di 700 metri. "L'esperimento rappresenta una pietra miliare, nella misura in cui la distanza percorsa conferma che l'informazione quantistica può essere distribuita su larga scala con poca perdita, " afferma Weinfurter. "Il nostro lavoro costituisce quindi un passo cruciale verso la futura realizzazione di reti quantistiche".

Le reti quantistiche sono essenzialmente costituite da memorie quantistiche (costituite da uno o più atomi, per esempio) che fungono da nodi, e canali di comunicazione in cui i fotoni (quanti di luce) possono propagarsi per collegare tra loro i nodi. Nel loro esperimento, i ricercatori hanno impigliato un atomo di rubidio con un fotone, e sono stati in grado di rilevare lo stato entangled, che ora condivide le proprietà quantistiche di entrambe le particelle, dopo il suo passaggio attraverso una bobina di fibra ottica di 20 km.

Il problema più grande che gli sperimentatori hanno dovuto affrontare inizia con le proprietà dell'atomo di rubidio. Dopo un'eccitazione mirata, questi atomi emettono fotoni con una lunghezza d'onda di 780 nanometri, nella regione del vicino infrarosso dello spettro. "In una fibra ottica di vetro, la luce a questa lunghezza d'onda viene rapidamente assorbita, " Spiega Weinfurter. Le reti di telecomunicazioni convenzionali utilizzano quindi lunghezze d'onda intorno ai 1550 nanometri, che riduce notevolmente le perdite in transito.

Ovviamente, questa lunghezza d'onda migliorerebbe anche le possibilità di successo degli sperimentatori. Così Matthias Bock, un membro del gruppo a Saarbrücken, costruito quello che viene chiamato un convertitore di frequenza quantistico che è stato specificamente progettato per aumentare la lunghezza d'onda dei fotoni emessi da 780 a 1520 nanometri. Questo stesso compito ha posto una serie di sfide tecniche estremamente impegnative. Perché era imperativo garantire che si verificasse la conversione da un solo fotone a un solo altro fotone e che nessuna delle altre proprietà dello stato entangled, soprattutto la polarizzazione del fotone, sono stati modificati durante il processo di conversione. Altrimenti, lo stato entangled andrebbe perso. "Grazie all'utilizzo di questo convertitore altamente efficiente, siamo stati in grado di mantenere lo stato entangled su un raggio molto più lungo alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, e quindi per trasportare l'informazione quantistica che trasporta su lunghe distanze, "dice Weinfurter.

Nel passaggio successivo, i ricercatori hanno in programma di convertire in frequenza la luce emessa da un secondo atomo, che dovrebbe consentire loro di generare entanglement tra i due atomi su lunghe fibre di telecomunicazione. Le proprietà dei cavi in ​​fibra di vetro variano a seconda di fattori quali la temperatura e le sollecitazioni a cui sono esposti. Per questa ragione, il team intende prima condurre questo esperimento in condizioni controllate in laboratorio. In caso di successo, saranno effettuati esperimenti sul campo anche aggiungendo nuovi nodi a una rete in crescita. Dopotutto, anche i lunghi viaggi possono essere completamente riusciti facendo un passo alla volta.