Per la prima volta, i ricercatori sono riusciti a creare un forte accoppiamento tra sistemi quantistici a grande distanza. Ci sono riusciti con un nuovo metodo in cui un anello laser collega i sistemi, consentendo uno scambio di informazioni quasi senza perdite e una forte interazione tra di loro. Nel diario Scienza , i fisici dell'Università di Basilea e dell'Università di Hannover hanno riferito che il nuovo metodo apre nuove possibilità nelle reti quantistiche e nella tecnologia dei sensori quantistici.

La tecnologia quantistica è attualmente uno dei campi di ricerca più attivi a livello mondiale. Sfrutta le proprietà speciali degli stati quantomeccanici degli atomi, leggero, o nanostrutture da sviluppare, Per esempio, nuovi sensori per la medicina e la navigazione, reti per l'elaborazione delle informazioni e potenti simulatori per le scienze dei materiali. La generazione di questi stati quantistici richiede normalmente una forte interazione tra i sistemi coinvolti, come tra diversi atomi o nanostrutture.

Fino ad ora, però, interazioni sufficientemente forti erano limitate a brevi distanze. Tipicamente, due sistemi dovevano essere posizionati uno vicino all'altro sullo stesso chip a basse temperature o nella stessa camera a vuoto, dove interagiscono tramite forze elettrostatiche o magnetostatiche. Accoppiandoli su distanze maggiori, però, è richiesto per molte applicazioni come le reti quantistiche o alcuni tipi di sensori.

Un team di fisici, guidato dal Professor Philipp Treutlein del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea e dello Swiss Nanoscience Institute (SNI), è ora riuscita per la prima volta a creare un forte accoppiamento tra due sistemi su una distanza maggiore in un ambiente a temperatura ambiente. Nel loro esperimento, i ricercatori hanno usato la luce laser per accoppiare le vibrazioni di una membrana sottile di 100 nanometri al movimento dello spin degli atomi su una distanza di un metro. Di conseguenza, ogni vibrazione della membrana mette in moto lo spin degli atomi e viceversa.

Un anello di luce funge da molla meccanica

L'esperimento si basa su un concetto che i ricercatori hanno sviluppato insieme al fisico teorico professor Klemens Hammerer dell'Università di Hannover. Si tratta di inviare un raggio di luce laser avanti e indietro tra i sistemi. "La luce allora si comporta come una molla meccanica tesa tra gli atomi e la membrana, e trasmette le forze tra i due, " spiega il dottor Thomas Karg, che ha condotto gli esperimenti come parte della sua tesi di dottorato presso l'Università di Basilea. In questo circuito laser, le proprietà della luce possono essere controllate in modo tale che nessuna informazione sul movimento dei due sistemi venga persa nell'ambiente, garantendo così che l'interazione quantomeccanica non sia disturbata.

I ricercatori sono ora riusciti a implementare sperimentalmente questo concetto per la prima volta e lo hanno utilizzato in una serie di esperimenti. "L'accoppiamento dei sistemi quantistici con la luce è molto flessibile e versatile, " spiega Treutlein. "Possiamo controllare il raggio laser tra i sistemi, che ci permette di generare diversi tipi di interazioni utili per i sensori quantistici, Per esempio."

Un nuovo strumento per le tecnologie quantistiche

Oltre ad accoppiare atomi con membrane nanomeccaniche, il nuovo metodo potrebbe essere utilizzato anche in molti altri sistemi; Per esempio, quando si accoppiano bit quantistici superconduttori o sistemi di spin a stato solido utilizzati nella ricerca sull'informatica quantistica. La nuova tecnica per l'accoppiamento mediato dalla luce potrebbe essere utilizzata per interconnettere tali sistemi, creazione di reti quantistiche per l'elaborazione e le simulazioni di informazioni. Treutlein è convinto:"Questo è un nuovo, strumento estremamente utile per la nostra cassetta degli attrezzi della tecnologia quantistica."