Credito:Youpeng Zhong (2019).
La generazione efficiente di entanglement tra nodi quantistici remoti è un passaggio cruciale nella protezione delle comunicazioni quantistiche. Nelle ricerche passate, l'entanglement è stato spesso ottenuto utilizzando diversi schemi probabilistici.
Recentemente, alcuni studi hanno anche offerto dimostrazioni di entanglement remoto deterministico utilizzando approcci basati su qubit superconduttori. Ciò nonostante, la violazione deterministica della disuguaglianza di Bell (una forte misura della correlazione quantistica) in un'architettura di comunicazione quantistica superconduttiva non è mai stata dimostrata finora.
Un team di ricercatori con sede presso l'Università di Chicago ha recentemente dimostrato una violazione della disuguaglianza di Bell utilizzando qubit superconduttori collegati in remoto. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , introduce un'architettura semplice ma robusta per ottenere questo risultato di riferimento in un sistema superconduttore.
"C'è molto interesse e attività nello sviluppo di sistemi sperimentali in cui la meccanica quantistica può essere utilizzata per l'elaborazione delle informazioni (ad es. calcolo, ecc.) e rilevamento, "Andrea Cleland, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Il cuore di un sistema di informazione quantistica è un qubit, e l'unicità viene dagli stati quantistici che puoi immagazzinare in essa, così come gli stati quantistici più complessi che puoi memorizzare usando più qubit. Eravamo interessati ad esplorare la trasmissione di informazioni quantistiche e stati quantistici, i fondamenti della comunicazione quantistica".
Stati quantistici, così come le informazioni che sono memorizzate al loro interno, sono incredibilmente delicati, molto più degli stati classici e delle informazioni archiviate in modo classico. Sebbene in teoria, ci sono modi per correggere gli errori in uno stato quantistico, in genere si possono correggere solo piccoli errori; quindi, la comunicazione di uno stato quantistico deve essere eseguita con altissima precisione. La trasmissione ad alta fedeltà di uno stato quantistico è stata finora ottenuta utilizzando un numero limitato di metodi.
"Volevamo vedere se potevamo usare alcuni dei migliori qubit disponibili, qubit superconduttori, e i migliori strumenti per accoppiare qubit superconduttori alle linee di comunicazione (trasmissione), per mostrare che potremmo trasmettere stati quantistici con altissima precisione (cioè fedeltà), " ha detto Cleland.
Nella fisica quantistica, il "gold standard" per testare una certa classe di stati quantistici è la disuguaglianza di Bell. Essenzialmente, un insieme specifico di misurazioni di una proprietà di uno stato quantistico (di solito scritto come "S") può superare un valore classicamente limitato di due solo se lo stato quantistico è preparato, comunicati e misurati con alti livelli di precisione.
"Errori commessi nella preparazione, trasmettere o misurare lo stato quantistico tenderà a rendere lo stato più classico, e rendere più difficile superare il classico limite di due, " ha spiegato Cleland. "Il superamento di questo limite è chiamato violazione di una disuguaglianza di Bell, ed è una prova di 'quantità'. Questa era la misura che ci siamo proposti di raggiungere, misurando S per uno stato quantistico usando una generazione molto precisa, trasmissione, e cattura di informazioni quantistiche tra due qubit. felicemente, siamo stati in grado di farlo".
Nel loro esperimento, Cleland e i suoi colleghi hanno utilizzato due qubit superconduttori collegati tra loro tramite una linea di trasmissione lunga circa 1 metro. L'informazione quantistica è stata trasmessa lungo questa linea utilizzando microonde (simili ai segnali radio), con una frequenza simile a quella utilizzata dai telefoni cellulari per comunicare.
"Molto importante, avevamo anche "accoppiatori" controllati elettricamente tra ogni qubit e la linea, " Cleland ha detto. "Questi accoppiatori sono molto importanti, perché ci permettono di controllare molto rapidamente l'accoppiamento dei qubit alla linea, utilizzando segnali elettrici classici."
Questi accoppiatori controllati elettricamente sono una componente chiave dell'esperimento dei ricercatori, in quanto hanno permesso loro di "modellare" l'accoppiamento nel tempo in modo molto preciso. Questi accoppiatori hanno assicurato che le microonde che trasportavano le informazioni quantistiche fossero trasmesse tra i due qubit esattamente nel modo giusto. Questo alla fine ha assicurato che le informazioni quantistiche fossero inviate e ricevute con errori minimi.
"Il nostro esperimento mostra che informazioni quantistiche molto precise possono essere inviate lungo un percorso di comunicazione piuttosto lungo, nel nostro caso quasi un metro di lunghezza, " Cleland ha spiegato. "Il metodo che abbiamo usato avrebbe funzionato con qualsiasi linea di lunghezza. Ciò dimostra che i metodi teorici che erano stati elaborati per questa trasmissione quasi priva di errori sono corretti, e rappresenta una grande promessa per i futuri sistemi di comunicazione quantistica".
Lo studio condotto da Cleland e dai suoi colleghi ha introdotto un metodo semplice ma efficace per ottenere una violazione della disuguaglianza di Bell utilizzando qubit superconduttori remoti. Però, poiché i qubit utilizzati nel loro esperimento comunicano con le microonde, il loro metodo funziona solo a temperature molto basse. Per comunicare informazioni quantistiche attraverso l'aria, i ricercatori avrebbero bisogno di sviluppare nuove tecniche in grado di ottenere risultati simili utilizzando la luce infrarossa o visibile.
"Ora stiamo pianificando di realizzare versioni più complesse di questo esperimento, utilizzando più qubit e più linee di trasmissione, per testare teorie più avanzate per la comunicazione quantistica e la correzione degli errori quantistici, " ha detto Cleland. "Stiamo anche sviluppando metodi per provare a fare la stessa cosa con la luce infrarossa, quindi i segnali possono essere inviati attraverso una fibra ottica, o attraverso lo spazio."
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