In qualità di nuovo incaricato congiunto presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Eden Figueroa si sta abituando ad alternare i suoi ruoli all'interno della Computational Science Initiative (CSI) del Lab e della Divisione Strumentazione, mentre supervisiona anche il gruppo Quantum Information Technology come professore di ruolo presso la Stony Brook University. Per la maggior parte, lavorare in così tanti posti contemporaneamente può essere stressante e disconnettersi. Però, per Figueroa, che ha un fascino di vecchia data per la meccanica quantistica, navigare in connessioni complicate serve a ispirare le reti quantistiche attualmente configurate e testate dal suo team.

Fuori dal freddo

Figueroa ha iniziato il suo viaggio in Messico come fisico e sperimentatore, il cui interesse per la meccanica quantistica lo ha portato all'Università di Costanza (Germania) e all'Istituto per la scienza dell'informazione quantistica dell'Università di Calgary (Canada) per studiare sotto A.I. Lvovsky. Mentre perseguiva il dottorato, Figueroa ha iniziato a costruire memorie quantistiche, cellule di vetro riempite di atomi che sono stimolate dai laser per controllare gli stati atomici al loro interno o come ha detto lui, "per far parlare i fotoni e raccontare i loro segreti agli atomi".

"La costruzione di memorie quantistiche ha fornito un aspetto del controllo della natura ai livelli più fondamentali:i fotoni sono luce e le particelle rappresentano la materia, " ha spiegato Figueroa. "Questa era l'ingegneria quantistica a un livello più fondamentale."

Uno degli aspetti più caratterizzanti del funzionamento dell'hardware quantistico è la necessità di mantenerlo freddo, molto freddo; 2 K (-456°F) freddo. Il freddo mantiene le particelle il più ferme possibile, consentendo di effettuare misurazioni. Figueroa si rese conto che lavorare a queste temperature super fredde era un limite. Quando ha chiesto al suo professore se una memoria quantistica potesse funzionare a temperatura ambiente, gli fu detto:"Non credo, ma dimostrami che mi sbaglio." Quel comando è stato l'impulso per Figueroa che ha trascorso quasi tre anni a lavorare su vari prototipi fino a quando non ha aiutato a ideare una memoria quantistica a temperatura ambiente operabile, che da allora è stato ampliato in integrato, memorie portatili "a misura di scatola da scarpe" che svolgono un ruolo fondamentale nel modo in cui il suo team sta costruendo una rete quantistica.

"Trasmettimi su"

Come definizione di base, una rete quantistica trasferisce bit di dati quantistici, o qubit, su distanze utilizzando fibre di telecomunicazione standard. Però, a differenza del solito scambio di 0 e 1 bit, questo trasferimento di dati si basa sulle leggi della meccanica quantistica. A livello subatomico (quantico), le particelle possono comportarsi in modo molto diverso da come si comportano negli stati comunemente compresi dalla fisica classica, addirittura esistono in due luoghi contemporaneamente. Questo "entanglement quantistico" in cui le particelle condividono proprietà nonostante siano separate dalla distanza è una parte elementare degli esperimenti sulla rete quantistica in corso al Brookhaven Lab, Stony Brook University, e (presto) la Yale University.

"Le particelle nel mondo entangled della meccanica quantistica condividono le cose anche se sono a migliaia di miglia di distanza, " ha detto Figueroa. "Se hai visto Star Trek, è come quando Kirk chiama, 'Mi teletrasporti.' Possiamo usare l'entanglement quantistico per teletrasportare le informazioni da un'area all'altra a una velocità che non può essere eguagliata nei sistemi classici".

Per testare questo sforzo, Figueroa e altri scienziati del laboratorio hanno inizialmente impiegato linee in fibra di comunicazione esistenti, misurando circa due chilometri (km), o poco più di un miglio, tra gli edifici del campus del Brookhaven Lab per costruire una piccola rete quantistica che condivide l'entanglement. In particolare, questo lavoro in corso riunisce tutte le connessioni di ricerca di Figueroa. CSI gestisce gli aspetti di calcolo quantistico della rete, oltre a progettare le reti e i collegamenti, mentre il gruppo di strumentazione di Brookhaven fornisce i fotoni di entanglement e altre infrastrutture e capacità sperimentali. Alcuni componenti di rilevamento del banco di prova sono stati sviluppati nel Dipartimento di Fisica del Laboratorio. Il laboratorio di Figueroa presso la Stony Brook University fornisce la memoria quantistica che elabora le informazioni. Anche un "gemello" diretto di quel laboratorio è in costruzione all'interno dell'edificio della strumentazione a Brookhaven. L'obiettivo è avere una rete quantistica operativa entro pochi anni.

In un altro esperimento di entanglement quantistico, Figueroa e il suo team "trasmetteranno fotoni nello spazio libero, " fondamentalmente da un telescopio all'altro nella sua linea diretta. Figueroa spiega che questo lavoro in corso sarà un fulcro nel passaggio a una rete quantistica più ampia.

"Se possiamo dimostrare che funziona su due esperimenti ambientati su 20 km, possiamo mettere di più nelle connessioni, " ha detto. "In questo momento, vogliamo costruire una rete tra Brookhaven, ruscello pietroso, e poi a Yale e creare collegamenti da un campus all'altro finché non condividiamo attivamente i fotoni tra i tre campus. Forse tra cinque anni, possiamo scalare il sistema che usiamo e mettere più connessioni per coprire lo Stato di New York, Connecticut, tutta la regione nord-orientale".

Figueroa ha anche accreditato il nuovo centro Northeast Quantum Systems, noto come NEQsys, per facilitare il collegamento con la Yale University, osservando che Brookhaven Lab ha fornito un nesso regionale per i ricercatori con interessi comuni nella scienza dell'informazione quantistica (QIS) che altrimenti potrebbero non esistere.

"La connessione tra Brookhaven e Stony Brook è una specie di matrimonio naturale, " ha spiegato. "Tuttavia, NEQsys fornisce una bella connessione alla ricerca presso, Per esempio, Yale e il MIT con cui non avrei necessariamente interagito. Ora, con Yale, siamo collegati e iniziamo un ampliamento della nostra ricerca. Questo non sarebbe possibile senza NEQsys."

Perché ora? Perchè no?

Figueroa ha riconosciuto la serendipità nella tempistica di questi sforzi. Ha visto un aumento dell'interesse per i quanti da entità come il DOE e ha notato che la leadership del Brookhaven Lab e della Stony Brook University ha offerto sia le strutture che le opportunità per lanciare gli esperimenti fondamentali necessari per amplificare la ricerca QIS.

"Abbiamo affrontato la sfida:in primo luogo, costruire la memoria quantistica a temperatura ambiente. Ora, possiamo costruirlo, " ha spiegato. "Ora, abbiamo laboratori in esecuzione in luoghi diversi per lanciare una rete quantistica. Queste idee vanno avanti solo quando sei disposto a investire risorse per risolvere il problema. Gli approcci convergevano davvero a Brookhaven. Kerstin [Kleese van Dam, Direttore CSI], Dimitri [Katramatos, scienziato CSI], Gabriella [Carini, Strumentazione, Vice Capo Divisione], e Andrei [Nomerotski, Fisico], tutti sono stati di supporto, ottenere ciò di cui abbiamo bisogno per creare questa infrastruttura quantistica".

Soprattutto, Figueroa è entusiasta e impressionato dal livello di impegno che ha visto da parte di tutti i soggetti coinvolti mentre gli esperimenti crescono. I passaggi tecnici e il ridimensionamento richiedono il potere del cervello di scienziati leader, ingegneri informatici, studenti laureati, e altro ancora. Figueroa ha aggiunto che la crescente attenzione sul QIS sta anche generando un maggiore interesse tra gli studenti.

"Sanno che nella ricerca quantistica, stanno accadendo alcune cose che non sono mai state fatte, e possono vedere l'hardware, infrastruttura, e sovvenzioni in cerca di ricerca. è molto potente, e le condizioni sono giuste. Per studenti, è magico, " Egli ha detto.

La formazione della prossima generazione è un altro ingrediente del piano per amplificare il QIS, soprattutto a New York. Secondo Figueroa, La Stony Brook University inizierà a offrire corsi nell'autunno 2019 verso un programma di master con enfasi sul QIS. I corsi offriranno un'immersione nella quantistica per ingegneri o scienziati che spera possano alimentare le startup nella tecnologia quantistica. Includendo Brookhaven Lab come partner di risorse, Figueroa prevede di "potenziare un programma quantistico incentrato su Long-Island".

Figueroa ha prontamente riconosciuto che esiste una corsa competitiva a tutti gli effetti per essere i primi al mondo a ospitare una rete quantistica scalabile che condivide l'entanglement. Già, La Cina ha un vantaggio di quasi 10 anni sui suoi investimenti quantistici con l'Europa non troppo indietro. Ancora, con molte sfide rimanenti per sbloccare una rete quantistica funzionante, Figueroa trasuda ottimismo quando osserva il panorama della ricerca.

"Perché non essere loro a farlo?" chiese. "Possiamo essere leader in questo settore. È il momento giusto per farlo. Se lo realizziamo, sarebbe una storia di piombo in Il New York Times . Sarebbe una svolta per la comunità. Sono pompato su di esso. Possiamo fare qualcosa di bello".