I ricercatori hanno trovato un modo per utilizzare la luce e un singolo elettrone per comunicare con una nuvola di bit quantistici e rilevarne il comportamento, rendendo possibile rilevare un singolo bit quantistico in una nuvola densa.

I ricercatori, dell'Università di Cambridge, sono stati in grado di iniettare un "ago" di informazioni quantistiche altamente fragili in un "pagliaio" di 100, 000 nuclei. Usando i laser per controllare un elettrone, i ricercatori potrebbero quindi utilizzare quell'elettrone per controllare il comportamento del pagliaio, rendendo più facile trovare l'ago. Sono stati in grado di rilevare "l'ago" con una precisione di 1,9 parti per milione:abbastanza alta da rilevare un singolo bit quantico in questo grande insieme.

La tecnica consente di inviare otticamente informazioni quantistiche altamente fragili a un sistema nucleare per l'archiviazione, e di verificarne l'impronta con il minimo disturbo, un passo importante nello sviluppo di un'internet quantistica basata su sorgenti di luce quantistica. I risultati sono riportati sulla rivista Fisica della natura .

I primi computer quantistici, che sfrutteranno lo strano comportamento delle particelle subatomiche per superare di gran lunga anche i supercomputer più potenti, sono all'orizzonte. Però, sfruttare il loro pieno potenziale richiederà un modo per metterli in rete:un Internet quantistico. I canali di luce che trasmettono informazioni quantistiche sono candidati promettenti per un Internet quantistico, e attualmente non esiste una fonte di luce quantistica migliore del punto quantico a semiconduttore:minuscoli cristalli che sono essenzialmente atomi artificiali.

Però, una cosa ostacola i punti quantici e un'internet quantistica:la capacità di archiviare temporaneamente informazioni quantistiche nelle postazioni di stazionamento lungo la rete.

"La soluzione a questo problema è archiviare le fragili informazioni quantistiche nascondendole nella nuvola di 100, 000 nuclei atomici che ogni punto quantico contiene, come un ago in un pagliaio, " ha affermato il professor Mete Atatüre del Cavendish Laboratory di Cambridge, che ha condotto la ricerca. "Ma se proviamo a comunicare con questi nuclei come comunichiamo con i bit, tendono a "capovolgersi" in modo casuale, creando un sistema rumoroso."

La nuvola di bit quantici contenuta in un punto quantico normalmente non agisce in uno stato collettivo, rendendo difficile ottenere informazioni all'interno o all'esterno di essi. Però, Atatüre e i suoi colleghi hanno dimostrato nel 2019 che quando vengono raffreddati a temperature ultrabasse utilizzando anche la luce, questi nuclei possono essere fatti fare 'danze quantistiche' all'unisono, riducendo significativamente la quantità di rumore nel sistema.

Ora, hanno mostrato un altro passo fondamentale verso l'archiviazione e il recupero di informazioni quantistiche nei nuclei. Controllando lo stato collettivo dei 100, 000 nuclei, sono stati in grado di rilevare l'esistenza dell'informazione quantistica come un "bit quantico capovolto" con una precisione ultraelevata di 1,9 parti per milione:abbastanza per vedere un singolo bit capovolgersi nella nuvola di nuclei.

"Tecnicamente questo è estremamente impegnativo, " disse Atatur, che è anche membro del St John's College. "Non abbiamo un modo di 'parlare' con la nuvola e la nuvola non ha un modo di parlare con noi. Ma quello con cui possiamo parlare è un elettrone:possiamo comunicare con esso come un cane che alleva pecore».

Usando la luce di un laser, i ricercatori sono in grado di comunicare con un elettrone, che poi comunica con gli spin, o momento angolare intrinseco, dei nuclei.

Parlando con l'elettrone, l'insieme caotico di spin inizia a raffreddarsi e si raduna attorno all'elettrone che guida; da questo stato più ordinato, l'elettrone può creare onde di spin nei nuclei.

"Se immaginiamo la nostra nuvola di giri come un branco di 100 persone, 000 pecore che si muovono a caso, una pecora che cambia improvvisamente direzione è difficile da vedere, " disse Atatüre. "Ma se l'intera mandria si muove come un'onda ben definita, allora una singola pecora che cambia direzione diventa molto evidente."

In altre parole, l'iniezione di un'onda di spin composta da un singolo spin flip nucleare nell'insieme rende più facile rilevare un singolo spin flip nucleare tra 100, 000 spin nucleari.

Utilizzando questa tecnica, i ricercatori sono in grado di inviare informazioni al bit quantico e "ascoltare" ciò che dicono gli spin con il minimo disturbo, fino al limite fondamentale fissato dalla meccanica quantistica.

"Avendo sfruttato questa capacità di controllo e rilevamento su questo grande insieme di nuclei, il nostro prossimo passo sarà dimostrare la memorizzazione e il recupero di un bit quantico arbitrario dal registro di spin nucleare, " ha detto il co-primo autore Daniel Jackson, un dottorato di ricerca studente presso il Laboratorio Cavendish.

"Questo passaggio completerà una memoria quantistica collegata alla luce, un elemento fondamentale sulla strada per realizzare l'internet quantistica, " ha detto il co-primo autore Dorian Gangloff, un ricercatore presso il St John's College.

Oltre al suo potenziale utilizzo per una futura Internet quantistica, la tecnica potrebbe essere utile anche nello sviluppo del calcolo quantistico a stato solido.