Alcuni potenti governanti del mondo possono sognare la possibilità di entrare in contatto con i loro colleghi in diversi continenti senza essere notati da amici o nemici. un giorno, le nuove tecnologie quantistiche potrebbero consentire di realizzare questi desideri. I fisici di tutto il mondo stanno lavorando alla realizzazione di reti quantistiche su larga scala in cui i singoli quanti di luce trasferiscono informazioni quantistiche (segrete) a nodi stazionari a grandi distanze. Gli elementi costitutivi fondamentali di tali reti quantistiche sono, Per esempio, ripetitori quantistici che contrastano la perdita di informazioni quantistiche su grandi distanze, o porte logiche quantistiche necessarie per elaborare le informazioni quantistiche.

Ora, un team di scienziati attorno al professor Gerhard Rempe, direttore del Max Planck Institute of Quantum Optics e capo della Quantum Dynamics Division, ha dimostrato la fattibilità di un nuovo concetto di porta quantistica ( Fis. Rev. X 8, 011018, 6 febbraio 2018). Qui, i fotoni che colpiscono una cavità ottica mediano un'interazione tra due atomi intrappolati all'interno. Questa interazione è la base per eseguire operazioni di porta caratteristiche tra gli atomi, ad esempio il funzionamento come porta CNOT o la generazione di entanglement. Il nuovo metodo offre una serie di vantaggi:ad esempio, le operazioni di gate avvengono in microsecondi, il che è una risorsa per l'elaborazione delle informazioni quantistiche. Anche, il meccanismo di gate può essere applicato ad altre piattaforme sperimentali, e la porta a due atomi può fungere da elemento costitutivo in un ripetitore quantistico.

L'elemento centrale dell'esperimento (vedi figura 1) è un risonatore ottico asimmetrico ad alta finezza, costituito da uno specchio ad alta riflessione (sinistra) e uno specchio a trasmissione finita (destra). Al centro della cavità sono intrappolati due atomi di rubidio elettricamente neutri. Ogni atomo porta un qubit, cioè informazione quantistica che è codificata nella sovrapposizione di due stati fondamentali stabili che corrispondono ai classici bit "0" e "1". "Uno degli stati fondamentali è in risonanza con il campo luminoso della cavità. Quindi, atomi e cavità formano un sistema fortemente accoppiato, "Spiega Stephan Welte, che lavora all'esperimento per la sua tesi di dottorato. "Ecco perché gli atomi possono parlare tra loro. Questo processo non può avvenire nello spazio libero".

Per eseguire il cancello, i singoli fotoni vengono inviati sullo specchio semitrasparente. Quindi, a seconda degli stati iniziali degli atomi, sono possibili diversi scenari. "Quando entrambi gli atomi sono nello stato di non accoppiamento, il fotone può entrare nella cavità, e un'onda di luce stazionaria tra i due specchi si accumula, "dice Bastian Hacker, un altro dottorando sull'esperimento. "Gli atomi possono comunicare attraverso questo campo luminoso:se è presente, la fase dei qubit memorizzati viene ruotata di 180 gradi." In tutti gli altri casi, se uno o entrambi gli atomi sono in risonanza con i modi della cavità, il fotone viene bloccato dalla cavità, e lo stato degli atomi non acquisisce uno sfasamento.

Questi effetti vengono utilizzati per eseguire operazioni matematiche di base (porte quantistiche) tra i due atomi, come è dimostrato dal team di Garching con due operazioni di cancello caratteristiche. Da una parte, gli scienziati mostrano che la loro configurazione sperimentale può funzionare come una tipica porta C(ontrolled)NOT:qui lo stato di input del qubit (di controllo) decide se lo stato dell'altro (target) viene modificato o meno. Per dimostrare questa funzionalità, l'operazione di gate viene eseguita su un insieme di quattro stati di ingresso ortogonali, e in ogni caso viene determinato lo stato di uscita risultante. Da queste misurazioni si ricava una tabella che ricorda una classica porta XOR.

D'altra parte, in un'altra serie di misurazioni gli scienziati dimostrano la creazione di stati di uscita in entanglement quantistico da due atomi inizialmente indipendenti. "A tal fine, gli atomi sono preparati in una sovrapposizione coerente di entrambi gli stati fondamentali, " sottolinea Stephan Welte. "Pertanto, entrambi i casi – che il fotone entri nella cavità e che venga respinto – sono quantisticamente sovrapposti, e l'operazione del cancello porta all'entanglement degli atomi."

"Il meccanismo alla base del funzionamento del gate è molto semplice ed elegante perché comprende un solo passaggio fisico. A differenza di altri meccanismi di gate la distanza tra i qubit - nel nostro caso da 2 a 12 micrometri - non ha alcuna importanza, " sottolinea Bastian Hacker. "Inoltre, la nostra porta non si basa sulla piattaforma specifica degli atomi di rubidio. Potrebbe ugualmente essere applicato a molti altri tipi di atomi, ioni o, Per esempio, punti quantici allo stato solido che trasportano informazioni quantistiche." Il professor Gerhard Rempe prevede persino ulteriori estensioni del sistema. "Pensiamo di posizionare diversi atomi, invece che solo due, nella cavità. Il nostro meccanismo di gate potrebbe funzionare su molti di essi contemporaneamente." In una rete quantistica su larga scala, i nodi multi-qubit potrebbero fungere da piccoli computer quantistici che eseguono calcoli di base e inviano i loro risultati ad altri nodi.