Negli ultimi due decenni, enormi progressi sono stati fatti nel campo della scienza dell'informazione quantistica. Gli scienziati stanno sfruttando la strana natura della meccanica quantistica per risolvere problemi difficili nell'informatica e nelle comunicazioni, così come in sistemi delicati di rilevamento e misurazione. Una via di ricerca in questo campo è l'elaborazione dell'informazione quantistica ottica, che utilizza i fotoni, minuscole particelle di luce che hanno proprietà quantistiche uniche.

Una risorsa chiave per far progredire la ricerca nella scienza dell'informazione quantistica sarebbe una fonte che potrebbe produrre in modo efficiente e affidabile singoli fotoni. Però, perché i processi quantistici sono intrinsecamente casuali, la creazione di una sorgente di fotoni che produca singoli fotoni su richiesta rappresenta una sfida in ogni fase.

Ora il professore di fisica dell'Università dell'Illinois Paul Kwiat e il suo ex ricercatore post-dottorato Fumihiro Kaneda (ora assistente professore al Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences della Tohoku University) hanno costruito quella che Kwiat crede sia "la sorgente di singolo fotone più efficiente al mondo". E lo stanno ancora migliorando. Con gli aggiornamenti pianificati, l'apparato potrebbe generare fino a 30 fotoni con efficienze senza precedenti. Le fonti di quel calibro sono esattamente ciò che è necessario per le applicazioni di informazione quantistica ottica.

Le attuali scoperte dei ricercatori sono state pubblicate online in Progressi scientifici il 4 ottobre 2019.

Kwiat spiega, "Un fotone è la più piccola unità di luce:l'introduzione di questo concetto da parte di Einstein nel 1905 ha segnato l'alba della meccanica quantistica. Oggi, il fotone è una risorsa proposta nel calcolo e nella comunicazione quantistica:le sue proprietà uniche lo rendono un candidato eccellente per fungere da bit quantistico, o qubit."

"I fotoni si muovono rapidamente, perfetti per la trasmissione a lunga distanza di stati quantistici, e mostrano fenomeni quantistici alla temperatura ordinaria della nostra vita quotidiana, " aggiunge Kaneda. "Altri candidati promettenti per i qubit, come ioni intrappolati e correnti superconduttrici, sono stabili solo in condizioni isolate ed estremamente fredde. Quindi lo sviluppo di sorgenti a singolo fotone su richiesta è fondamentale per realizzare reti quantistiche e potrebbe consentire piccoli processori quantistici a temperatura ambiente".

Ad oggi, la massima efficienza di generazione di utili singoli fotoni annunciati è stata piuttosto bassa.

Come mai? I ricercatori di ottica quantistica usano spesso un effetto ottico non lineare chiamato down-conversion parametrico spontaneo (SPDC) per produrre coppie di fotoni. In un cristallo disegnato, all'interno di un impulso laser contenente miliardi di fotoni, un singolo fotone ad alta energia può essere suddiviso in una coppia di fotoni a bassa energia. È fondamentale produrre una coppia di fotoni:uno dei due viene rilevato, il che lo distrugge, per "annunciare" l'esistenza dell'altro, l'uscita a singolo fotone della sorgente di fotoni.

Ma fare in modo che la conversione quantistica da uno a due fotoni avvenga è contro ogni previsione.

"SPDC è un processo quantistico, ed è incerto se la fonte non produrrà nulla, o una coppia, o due paia, " osserva Kwiat. "La probabilità di produrre esattamente una coppia di singoli fotoni è al massimo del 25 percento".

Professore di fisica Fumihiro Kaneda del Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences presso l'Università di Tohoku. Kaneda è un ex ricercatore post-dottorato nel gruppo Kwiat presso il Dipartimento di Fisica, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.

Kwiat e Kaneda hanno risolto questo problema di bassa efficienza in SPDC utilizzando una tecnica chiamata multiplexing temporale. Per ogni corsa, la sorgente SPDC viene pulsata 40 volte a intervalli uguali, producendo 40 "time bins, " ciascuno possibilmente contenente una coppia di fotoni (anche se raramente sarebbe così). Ogni volta che viene prodotta una coppia di fotoni, un fotone della coppia attiva un interruttore ottico, che instrada il fotone fratello in una memoria temporanea in una linea di ritardo ottica, un circuito chiuso creato con specchi. Sapendo quando il fotone è entrato nel ciclo (quando è stato rilevato il fotone trigger), i ricercatori sanno esattamente quanti cicli devono contenere il fotone prima di spegnerlo. In questo modo, non importa quale dei 40 impulsi ha prodotto la coppia, il fotone memorizzato può sempre essere rilasciato contemporaneamente. Una volta che si sono verificati tutti i 40 impulsi, tutti i fotoni immagazzinati vengono rilasciati insieme, come se provenissero dallo stesso contenitore del tempo.

Commenti di Kwiat, "Mappare un mucchio di possibilità diverse, tutte le diverse fasce orarie, a uno:aumenta notevolmente la probabilità che tu sia in grado di vedere qualcosa."

Impulsare la sorgente 40 volte garantisce essenzialmente che venga prodotta almeno una coppia di fotoni per ogni corsa.

Cosa c'è di più, la linea di ritardo in cui sono immagazzinati i fotoni ha un tasso di perdita di solo l'1,2% per ciclo; perché la sorgente viene pulsata così tante volte, avere un basso tasso di perdita è fondamentale. Altrimenti, i fotoni prodotti nei primi impulsi potrebbero essere facilmente persi.

Quando i fotoni vengono finalmente rilasciati, sono accoppiati in una fibra ottica monomodale ad alta efficienza. Questo è lo stato in cui devono trovarsi i fotoni per essere utili nelle applicazioni di informazione quantistica.

Kwiat sottolinea, l'aumento di efficienza derivante dalla generazione di fotoni in questo modo è significativo. Se, Per esempio, un'applicazione richiedeva una sorgente a 12 fotoni, si potrebbero allineare sei sorgenti SPDC indipendenti e attendere un evento quando ciascuna di esse produce simultaneamente una singola coppia.

"Il miglior esperimento in competizione al mondo al momento che utilizza questi stati multipli di fotoni ha dovuto aspettare qualcosa come due minuti prima di ottenere un singolo evento del genere, " Note Kwiat. "Stanno pulsando a 80 milioni di volte al secondo - stanno provando molto, molto spesso, ma è solo una volta ogni due minuti che ottengono questo evento in cui ogni sorgente produce esattamente una coppia di fotoni.

"Possiamo calcolare in base al nostro tasso la probabilità che saremmo in grado di produrre qualcosa del genere. In realtà stiamo guidando un po' più lentamente, quindi stiamo solo facendo il tentativo ogni 2 microsecondi—lo stanno provando 160 volte più spesso—ma poiché la nostra efficienza è molto più alta usando il multiplexing, saremmo effettivamente in grado di produrre qualcosa come 4, 000 eventi da 12 fotoni al secondo."

In altre parole, Il tasso di produzione di Kwiat e Kaneda è di circa 500, 000 volte più veloce.

Però, come nota Kwiat, restano alcuni problemi da risolvere. Un problema deriva dalla natura casuale del processo di down-conversion:c'è la possibilità che invece di una singola coppia di fotoni, potrebbero essere prodotte più coppie di fotoni. Per di più, perché il processo di conversione verso il basso utilizzato in questo esperimento era relativamente inefficiente, la fonte è stata "guidata" a un ritmo più alto, aumentando la probabilità che tali coppie multiple indesiderate vengano generate.

Anche tenendo conto di potenziali eventi multi-fotone, il livello di efficienza di questo esperimento è stato un record mondiale.

Allora, qual è il prossimo, e in che modo il team di Kwiat affronterà questi rari eventi multifotonici indesiderati?

Colin Lualdi, uno studente laureato che lavora nel gruppo di ricerca di Kwiat, sta lavorando per aggiornare la sorgente con rilevatori di risoluzione del numero di fotoni che scarterebbero gli eventi multifotoni prima che la linea di ritardo venga attivata per memorizzarli. Questo miglioramento eliminerebbe del tutto il problema degli eventi multifotoni.

Un'altra area di ricerca in corso per il team di Kwiat migliorerà l'efficienza delle singole parti dell'apparato a sorgente di singolo fotone. Lualdi ritiene che i miglioramenti futuri spingeranno il tasso di produzione di un singolo fotone ben oltre l'esperimento attuale.

"L'obiettivo finale è essere in grado di preparare singoli stati quantistici puri che possiamo usare per codificare ed elaborare le informazioni in modi che superano gli approcci classici, " Spiega Lualdi. "Ecco perché è così imperativo che queste sorgenti producano singoli fotoni. Se la sorgente genera inaspettatamente due fotoni invece di uno, quindi non abbiamo gli elementi costitutivi di base di cui abbiamo bisogno."

E per essere in grado di eseguire qualsiasi tipo di elaborazione di informazioni quantistiche significative con questi qubit fotonici, è necessaria una grande scorta.

Come dice Kwiat, "Il campo sta andando oltre gli esperimenti con solo uno o due fotoni. Le persone stanno ora cercando di fare esperimenti su 10-12 fotoni, e alla fine vorremmo avere da 50 a 100 fotoni."

Kwiat estrapola che i miglioramenti apportati a questo lavoro potrebbero aprire la strada alla capacità di generare oltre 30 fotoni ad alta efficienza. I risultati di Kwiat e Kaneda ci hanno avvicinato di un passo alla realizzazione dell'elaborazione delle informazioni quantistiche ottiche.