Gli ingegneri del Caltech hanno dimostrato che gli atomi nelle cavità ottiche, minuscole scatole per la luce, potrebbero essere fondamentali per la creazione di un Internet quantistico. Il loro lavoro è stato pubblicato il 30 marzo dalla rivista Natura .

Le reti quantistiche collegherebbero i computer quantistici attraverso un sistema che opera anche a livello quantistico, piuttosto che classico, livello. In teoria, i computer quantistici un giorno saranno in grado di eseguire determinate funzioni più velocemente dei computer classici sfruttando le proprietà speciali della meccanica quantistica, compresa la sovrapposizione, che consente ai bit quantistici di memorizzare le informazioni come 1 e 0 contemporaneamente.

Come possono con i computer classici, gli ingegneri vorrebbero essere in grado di connettere più computer quantistici per condividere dati e lavorare insieme, creando un "Internet quantistico". Questo aprirebbe la porta a diverse applicazioni, compresa la risoluzione di calcoli troppo grandi per essere gestiti da un singolo computer quantistico e la creazione di comunicazioni infrangibili e sicure utilizzando la crittografia quantistica.

Per lavorare, una rete quantistica deve essere in grado di trasmettere informazioni tra due punti senza alterare le proprietà quantistiche delle informazioni trasmesse. Un modello attuale funziona in questo modo:un singolo atomo o ione funge da bit quantistico (o "qubit") memorizzando informazioni tramite uno se le sue proprietà quantistiche, come la rotazione. Per leggere tali informazioni e trasmetterle altrove, l'atomo è eccitato da un impulso di luce, provocando l'emissione di un fotone il cui spin è entangled con lo spin dell'atomo. Il fotone può quindi trasmettere le informazioni impigliate con l'atomo su una lunga distanza tramite cavo in fibra ottica.

È più difficile di quanto sembri, però. Trovare atomi che puoi controllare e misurare, e che inoltre non sono troppo sensibili alle fluttuazioni del campo magnetico o elettrico che causano errori, o decoerenza, è impegnativo.

"Gli emettitori a stato solido che interagiscono bene con la luce spesso cadono vittime della decoerenza; cioè, smettono di memorizzare le informazioni in un modo utile dal punto di vista dell'ingegneria quantistica, " dice Jon Kindem (MS '17, dottorato di ricerca '19), autore principale di Natura carta. Nel frattempo, gli atomi degli elementi delle terre rare, che hanno proprietà che rendono gli elementi utili come qubit, tendono a interagire male con la luce.

Per vincere questa sfida, ricercatori guidati da Andrei Faraon del Caltech (BS '04), professore di fisica applicata e ingegneria elettrica, costruito una cavità nanofotonica, un fascio di circa 10 micron di lunghezza con nano-patterning periodico, scolpito da un pezzo di cristallo. Hanno quindi identificato uno ione itterbio di una terra rara al centro del raggio. La cavità ottica consente loro di far rimbalzare la luce avanti e indietro lungo il raggio più volte fino a quando non viene infine assorbita dallo ione.

Nel Natura carta, il team ha dimostrato che la cavità modifica l'ambiente dello ione in modo tale che ogni volta che emette un fotone, più del 99 percento del tempo in cui il fotone rimane nella cavità, dove gli scienziati possono quindi raccogliere e rilevare in modo efficiente quel fotone per misurare lo stato dello ione. Ciò si traduce in un aumento della velocità con cui lo ione può emettere fotoni, migliorare l'efficacia complessiva del sistema.

Inoltre, gli ioni itterbio sono in grado di immagazzinare informazioni nella loro rotazione per 30 millisecondi. In questo momento, la luce potrebbe trasmettere informazioni per viaggiare attraverso gli Stati Uniti continentali. "Questo controlla la maggior parte delle scatole. È uno ione di terre rare che assorbe ed emette fotoni esattamente nel modo in cui avremmo bisogno di creare una rete quantistica, "dice Faraone, professore di fisica applicata e ingegneria elettrica. "Questo potrebbe costituire la tecnologia fondamentale per l'internet quantistica".

Attualmente, l'obiettivo del team è creare gli elementi costitutivi di una rete quantistica. Prossimo, sperano di ampliare i loro esperimenti e collegare effettivamente due bit quantistici, dice Faraone.

Il loro articolo è intitolato "Controllo e lettura a colpo singolo di uno ione incorporato in una cavità nanofotonica".