I fisici della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia hanno sviluppato un dispositivo di memoria atomica olografica in grado di generare singoli fotoni su richiesta in gruppi di diverse dozzine o più. Il dispositivo, dimostrato con successo nella pratica, supera uno degli ostacoli fondamentali alla costruzione di un computer quantistico.

Completamente sicuro, la comunicazione quantistica ad alta velocità e l'informatica quantistica sono tra le possibili applicazioni per questa nuova fonte di singoli fotoni. È il primo dispositivo che consente la produzione su richiesta di un gruppo di fotoni controllato con precisione, al contrario di uno solo.

"Rispetto alle soluzioni e alle idee esistenti, il nostro dispositivo è molto più efficiente e consente l'integrazione su scala più ampia. In senso funzionale, lo si può pensare addirittura come un primo equivalente di un piccolo circuito integrato operante su singoli fotoni, " spiega il Dr. Wojciech Wasilewski (UW Physics), uno degli autori di un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica .

Le prime sorgenti a singolo fotone furono inventate negli anni '70, e anche se i tanti tipi che esistono oggi hanno ancora molti inconvenienti, i singoli fotoni vengono utilizzati con successo nei protocolli di comunicazione quantistica che garantiscono la piena riservatezza. Però, essere in grado di eseguire calcoli quantistici complessi richiede gruppi di fotoni.

Il metodo più semplice per generare gruppi di fotoni consiste nell'utilizzare un numero sufficientemente elevato di sorgenti. Gli attuali dispositivi sfruttano il fenomeno della down-conversion parametrica spontanea (SPDC). A determinate condizioni, un fotone generato da un laser può dividersi in due nuovi, ciascuno con metà della quantità di energia, e con tutte le altre proprietà legate dai principi di conservazione dell'energia e della quantità di moto. Così, quando le informazioni sono codificate su uno dei fotoni della coppia, le proprietà dell'altro fotone sono note, che tuttavia rimangono indisturbati dall'osservazione e quindi perfettamente adatti alle operazioni quantistiche. Sfortunatamente, ogni sorgente SPDC genera singoli fotoni lentamente e in modo abbastanza casuale.

Nel 2013, un team di fisici delle università di Oxford e Londra ha proposto un protocollo molto più efficiente per generare gruppi di fotoni. L'idea era quella di posizionare una memoria quantistica in ogni sorgente, che sarebbe in grado di immagazzinare fotoni emessi, che potrebbe quindi essere rilasciato nello stesso momento. I calcoli hanno mostrato che la scala temporale richiesta per emettere un gruppo di 10 fotoni sarebbe stata ridotta di ben 10 ordini di grandezza, da anni a microsecondi.

La fonte sviluppata dai fisici dell'Università di Varsavia rappresenta la prima implementazione di questo concetto. Qui, tutti i fotoni vengono creati immediatamente all'interno della memoria quantistica a seguito di un impulso laser che dura solo microsecondi. Non sono più necessarie sorgenti esterne di singoli fotoni, e il numero necessario di memorie quantistiche si riduce a uno solo.

"La nostra intera configurazione sperimentale occupa circa due metri quadrati della superficie del nostro tavolo ottico. Ma gli eventi più importanti avvengono nella memoria stessa, in un cilindro di vetro di circa 10 cm di lunghezza e con un diametro di 2,5 cm. Chiunque possa aspettarsi di vedere all'interno del cilindro un design sofisticato rimarrà molto deluso:l'interno della cella è riempito solo con coppie di atomi di rubidio 87Rb a 60-80 gradi Celsius", dice Michal Dabrowski, un dottorato di ricerca studente presso UW Fisica.

Il dispositivo è una memoria spazialmente multimodale:i singoli fotoni possono essere posizionati, immagazzinato, elaborati e letti in diverse aree all'interno del cilindro, fungendo da cassetti di memoria separati. L'operazione di scrittura, eseguita con un raggio laser, funziona preservando un ologramma sotto forma di eccitazioni atomiche. L'illuminazione del sistema con il laser consente ai ricercatori di ricostruire l'ologramma e leggere il contenuto della memoria.

Negli esperimenti, la nuova sorgente ha generato un gruppo di fino a 60 fotoni. I calcoli mostrano che in condizioni realistiche, l'uso di laser di potenza superiore potrebbe aumentare questo numero fino a diverse migliaia. (I calcoli coinvolti nell'analisi dei dati di questo esperimento erano di una tale complessità da richiedere la potenza di calcolo di 53, 000 nuclei di rete della PL-Grid Infrastructure).

A causa del rumore, perdite e altri processi parassiti, la memoria quantistica di UW Physics può immagazzinare fotoni da diversi a decine di microsecondi. Anche se questo periodo sembra insignificante, esistono sistemi che consentono di eseguire semplici operazioni sui fotoni in nanosecondi. Nella nuova memoria quantistica, i ricercatori possono, in linea di principio, eseguire diverse centinaia di operazioni su ciascun fotone, che è sufficiente per la comunicazione quantistica e l'elaborazione delle informazioni.

Avere una tale fonte funzionante di grandi gruppi di fotoni è un passo importante verso la costruzione di un tipo di computer quantistico in grado di eseguire calcoli in molto meno tempo rispetto alle migliori macchine di calcolo moderne. Diversi anni fa, è stato dimostrato che l'esecuzione di semplici operazioni di ottica lineare sui fotoni può aumentare la velocità del calcolo quantistico. La complessità di questi calcoli dipende dal numero di fotoni elaborati simultaneamente. Però, i limiti delle sorgenti di grandi gruppi di fotoni hanno impedito lo sviluppo di computer quantistici lineari, limitandoli ad operazioni matematiche elementari.

Oltre ai calcoli quantistici, il circuito integrato fotonico può essere utile nella comunicazione quantistica. Attualmente, ciò comporta l'invio di singoli fotoni utilizzando una fibra ottica. La nuova sorgente consentirebbe a molti fotoni di entrare contemporaneamente nella fibra ottica, e quindi aumenterebbe la capacità dei canali quantistici.