Le particelle a volte possono agire come onde, ei fotoni (particelle di luce) non fanno eccezione. Proprio come le onde creano uno schema di interferenza, come increspature su uno stagno, così fanno i fotoni. I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno raggiunto un'importante nuova impresa:creare una bizzarra interferenza "quantistica" tra due fotoni di colori notevolmente diversi, provenienti da diversi edifici del campus dell'Università del Maryland.

L'esperimento è un passo importante per le future comunicazioni quantistiche e l'informatica quantistica, che potrebbe potenzialmente fare cose che i computer classici non possono, come rompere potenti codici di crittografia e simulare il comportamento di nuovi farmaci complessi nel corpo. L'interferenza tra due fotoni potrebbe collegare processori quantistici distanti, abilitare una rete di computer quantistici simile a Internet.

L'uso di fotoni che originariamente avevano colori (lunghezze d'onda) diversi è importante perché imita il modo in cui funzionerebbe un computer quantistico. Ad esempio, i fotoni della luce visibile possono interagire con gli atomi intrappolati, ioni o altri sistemi che fungono da versioni quantistiche della memoria del computer, mentre i fotoni a lunghezza d'onda più lunga (vicino infrarosso) sono in grado di propagarsi su lunghe distanze attraverso le fibre ottiche.

Proprio come i computer classici avevano bisogno di modi affidabili per trasmettere, immagazzinare ed elaborare gli elettroni prima di complessi, l'elaborazione in rete era possibile, il risultato del NIST porta lo scambio di informazioni sull'informatica quantistica un passo importante più vicino alla realtà.

Nel loro studio, una collaborazione tra il NIST e il Laboratorio di Ricerca dell'Esercito, fisici e ingegneri negli edifici adiacenti dell'Università del Maryland hanno creato due sorgenti diverse e separate di singoli fotoni. In un edificio, un gruppo di atomi di rubidio è stato indotto ad emettere singoli fotoni con una lunghezza d'onda di 780 nanometri, all'estremità rossa dello spettro della luce visibile. Nell'altro edificio, 150 metri di distanza, uno ione di bario intrappolato è stato indotto a emettere fotoni con una lunghezza d'onda di 493 nanometri, quasi il 40% più corta, verso l'estremità blu dello spettro.

Quindi i ricercatori hanno dovuto creare suoni morti per i fotoni blu per quelli rossi. Per fare questo, Alessandro Craddock, Trey Porto e Steven Rolston del Joint Quantum Institute, una partnership tra NIST e l'Università del Maryland, e i loro colleghi hanno mescolato i fotoni blu con la luce infrarossa in un cristallo speciale. Il cristallo ha usato la luce infrarossa per convertire i fotoni blu in una lunghezza d'onda corrispondente a quelli rossi nell'altro edificio, preservando le loro proprietà originali. Solo allora il team ha inviato i fotoni attraverso una fibra ottica di 150 metri per incontrare i fotoni rossi quasi identici nell'altro edificio.

I fotoni erano così simili che non era possibile distinguerli nel setup sperimentale. I singoli fotoni normalmente agiscono indipendentemente l'uno dall'altro. Ma a causa della peculiare natura quantistica della luce, quando due fotoni indistinguibili interferiscono tra loro, i loro percorsi possono essere correlati, o dipendenti l'uno dall'altro. Tale correlazione quantistica può essere utilizzata come un potente strumento per l'informatica.

Abbastanza sicuro, i ricercatori hanno osservato questa correlazione quando le coppie dei fotoni prodotti separatamente si intersecavano. Le coppie di fotoni sono passate attraverso un componente ottico noto come beamsplitter, che potrebbe inviarli in uno dei due percorsi. Agendo da solo, ogni fotone farebbe le sue cose e avrebbe una probabilità del 50-50 di passare attraverso entrambi i percorsi. Ma i due fotoni indistinguibili si sovrapponevano come onde. A causa della loro bizzarra interferenza quantistica, sono rimasti insieme e hanno sempre fatto la stessa strada. Unendo questi fotoni un tempo indipendenti all'anca, questo effetto di interferenza può potenzialmente svolgere molti compiti utili nell'elaborazione delle informazioni quantistiche.

I ricercatori hanno riportato le loro scoperte online in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

Una connessione diretta al calcolo quantistico verrebbe se il modello di interferenza fosse collegato a un'altra bizzarra proprietà della meccanica quantistica nota come entanglement. Questo fenomeno si verifica quando due o più fotoni o altre particelle vengono preparati in modo tale che una misurazione di una particolare proprietà, ad esempio, quantità di moto - di uno determina automaticamente la stessa proprietà dell'altro, anche se le particelle sono distanti. L'entanglement è al centro di molti schemi di informazione quantistica, compreso il calcolo quantistico e la crittografia.

Nell'esperimento del gruppo, i due fotoni non erano entangled con i sistemi che li hanno generati. Ma in studi futuri, ha detto Porto, dovrebbe essere relativamente facile impigliare i fotoni rossi con il gruppo di atomi di rubidio che li ha prodotti. Allo stesso modo, i fotoni blu potrebbero essere impigliati con lo ione intrappolato che li ha prodotti. Quando i due fotoni interferiscono, quella connessione trasferirebbe l'entanglement tra gli atomi di fotone rosso e rubidio e il fotone blu per diventare un entanglement tra gli atomi di rubidio e lo ione intrappolato.

È questo trasferimento di entanglement, questo trasferimento di informazioni, che sta alla base del potenziale vasto potere dei computer quantistici, ha notato Porto.