Per quanto riguarda lo sviluppo di memorie quantistiche per la realizzazione di reti quantistiche globali, gli scienziati della Quantum Dynamics Division guidati dal professor Gerhard Rempe presso il Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) hanno ora raggiunto un importante passo avanti:hanno dimostrato la conservazione a lungo termine di un qubit fotonico su un singolo atomo intrappolato in un risonatore ottico. Il tempo di coerenza del bit quantistico memorizzato supera i 100 millisecondi e quindi soddisfa i requisiti per la creazione di una rete quantistica globale in cui i qubit vengono teletrasportati direttamente tra i nodi finali. "I tempi di coerenza che otteniamo rappresentano un miglioramento di due ordini di grandezza rispetto allo stato dell'arte attuale, " dice il professor Rempe. Lo studio è pubblicato in Fotonica della natura oggi.

La luce è un vettore ideale per le informazioni quantistiche codificate su singoli fotoni, ma il trasferimento su lunghe distanze è inefficiente e inaffidabile a causa delle perdite. Il teletrasporto diretto tra i nodi finali di una rete può essere utilizzato per prevenire la perdita di preziosi bit quantistici. Primo, deve essere creato un entanglement remoto tra i nodi; poi, una misura adeguata sul lato mittente fa scattare l'"azione spettrale a distanza, " ovvero il trasporto istantaneo del qubit al nodo del ricevitore. Tuttavia, il bit quantistico può essere ruotato quando raggiunge il ricevitore e quindi deve essere ripristinato. A tal fine, le informazioni necessarie devono essere classicamente comunicate dal mittente al destinatario. Questo richiede un certo tempo, durante il quale il qubit deve essere conservato al ricevitore. Considerando due nodi di rete nei luoghi più distanti della terra, questo corrisponde a un intervallo di tempo di 66 millisecondi.

Nel 2011, Il gruppo del professor Rempe ha dimostrato una tecnica di successo per memorizzare un bit quantico fotonico su un singolo atomo. L'atomo è posto al centro di una cavità ottica formata da due specchi ad alta finezza e tenuto in posizione da onde luminose stazionarie. Un singolo fotone che trasporta il bit quantico in una sovrapposizione coerente di due stati di polarizzazione inizia a interagire fortemente con il singolo atomo una volta inviato nel risonatore. In definitiva, il fotone viene assorbito dall'atomo e il bit quantico viene trasferito in una sovrapposizione coerente di due stati atomici. La sfida è mantenere la sovrapposizione atomica il più a lungo possibile. In esperimenti precedenti, il tempo di conservazione era limitato a poche centinaia di microsecondi.

"Il problema principale per l'archiviazione dei bit quantistici è il fenomeno della sfasatura, " spiega Stefan Langenfeld, un dottorando all'esperimento. "Caratteristica di un bit quantistico è la fase relativa delle funzioni d'onda degli stati atomici che si sovrappongono coerentemente. Sfortunatamente, negli esperimenti del mondo reale, questa relazione di fase si perde nel tempo principalmente a causa dell'interazione con i campi magnetici ambientali fluttuanti."

Nel loro attuale esperimento, gli scienziati adottano nuove misure per contrastare l'impatto di tali fluttuazioni. Una volta trasferite le informazioni dal fotone all'atomo, la popolazione di uno stato atomico è trasferita coerentemente in un altro stato. Questo viene fatto utilizzando una coppia di raggi laser per indurre una transizione Raman. In questa nuova configurazione, il qubit memorizzato è 500 volte meno sensibile alle fluttuazioni del campo magnetico.

Prima del recupero del bit quantistico fotonico memorizzato, la transizione Raman è invertita. Per un tempo di memorizzazione di 10 millisecondi, la sovrapposizione del fotone memorizzato con il fotone recuperato è di circa il 90%. Questo significa, che il semplice trasferimento del qubit atomico in una configurazione di stato meno sensibile estende il tempo di coerenza di un fattore 10. Un altro fattore 10 è stato ottenuto aggiungendo un cosiddetto "spin echo" alla sequenza sperimentale. Qui, la popolazione dei due stati atomici utilizzati per l'archiviazione viene scambiata a metà del tempo di archiviazione. "La nuova tecnica ci consente di preservare la natura quantistica del bit memorizzato per più di 100 millisecondi, "dice Matthias Körber, un dottorando all'esperimento. "Sebbene una rete quantistica globale immaginata che consenta il trasporto sicuro e affidabile di informazioni quantistiche richieda ancora molte ricerche, l'archiviazione a lungo termine dei bit quantistici è una delle tecnologie chiave e riteniamo che gli attuali miglioramenti ci avvicineranno notevolmente alla sua realizzazione".