Quando si sondano i sottili effetti della meccanica quantistica, tutti i parametri del sistema e le sue misurazioni devono essere sintonizzati con precisione per osservare il risultato che speri. Quindi cosa succede quando organizzi tutto per rilevare ciò che meno ti aspetti? I ricercatori del MIT e della Purdue University negli Stati Uniti hanno adottato proprio questo approccio e hanno scoperto che potevano amplificare i segnali quantistici di un fattore 30 modificando in modo condizionale la fase relativa di un fotone da π/80 a π/2. I risultati potrebbero fornire l'anello mancante che avvicina un certo numero di tecnologie di rete quantistica all'uso pratico.

I protocolli della tecnologia quantistica generalmente mirano a massimizzare i punti di forza dell'interazione, ma preparare questi sistemi intricati può essere molto difficile. "Abbiamo posto la domanda, possiamo trasformare in qualche modo le interazioni deboli in interazioni molto forti?" spiega Vladan Vuletic, Wolf Professore di Fisica al MIT. "Puoi, e il prezzo è, non capitano spesso".

Gli effetti che Vuletic e colleghi osservano dipendono dai fattori che alimentano i "valori di aspettativa" degli esperimenti quantistici. I valori di aspettativa descrivono il risultato medio di uno scenario quantistico ed equivalgono al prodotto di ogni possibile valore e alla sua probabilità. Vuletic e i suoi collaboratori hanno concentrato i loro studi su scenari in cui la media è dominata da eventi rari, come una lotteria dove tutti vincono in media una piccola somma, sebbene in effetti, solo poche persone vincono somme enormi. Nella meccanica quantistica, la luce a volte prende anche la strada meno battuta, e come dimostrano i ricercatori, questo può davvero fare la differenza.

I ricercatori avevano esaminato le interazioni tra i fotoni, un fotone di segnale e un fotone ausiliario, seguendo percorsi diversi attraverso un insieme di atomi freddi in una cavità. Ogni fotone può interagire con gli atomi, e quell'interazione porta la firma di come l'altro fotone ha interagito, dando un'interazione indiretta tra i due fotoni. Le interazioni lasciano segni rivelatori nel fotone, come uno sfasamento, che mentre lo zero alla risonanza diventa positivo o negativo lontano dalla risonanza a seconda di quale lato della risonanza del sistema sono sintonizzati i parametri.

Mahdi Hosseini della Purdue University spiega di aver notato uno sfasamento medio mentre studiavano l'interazione. "Ricordo che Vladan una notte fece dei calcoli, e ce lo ha inviato, e l'abbiamo guardato, e inizialmente, Ho pensato che non può funzionare, " dice Hosseini. Il calcolo ha suggerito risultati sorprendenti per un regime in cui c'era un'alta probabilità di una misurazione di fotoni ausiliari associata a un basso sfasamento nel fascio di segnale (come potrebbe essere il caso vicino alla risonanza). Nelle rare occasioni che questa non è la misura registrata per il fotone ausiliario, lo sfasamento per il fascio di segnale deve essere grande in modo che il prodotto con la probabilità bassa soddisfi ancora il valore atteso.

Inoltre, attraverso questo fenomeno, i parametri selezionati per misurare il fotone ausiliario potrebbero influenzare notevolmente l'esito dello sfasamento per il fotone di segnale nonostante le deboli interazioni tra i due, qualcosa che i ricercatori descrivono come "controllo dei fotoni annunciato". Con un'attenta manipolazione dei parametri del sistema per regolare il regime degli esperimenti, i ricercatori sono stati in grado di osservare gli effetti previsti dalla teoria.

"Eravamo più emozionati che sorpresi, " dice Hosseini. "Ingenuamente, quando guardi la media, non ti aspetti di vedere alcuno sfasamento alla risonanza, nemmeno un piccolo sfasamento; ti aspetti di vederne nessuno. Ma si scopre che cambiando il processo di misurazione, puoi cambiarlo in stati altamente interattivi, e questo è stato sorprendente."

I ricercatori sottolineano che i protocolli che amplificano anche i segnali sono stati dimostrati in altri sistemi attraverso "amplificazione silenziosa" e "misurazioni deboli". Questi protocolli offrono miglioramenti per fattori compresi tra due e cinque, con una probabilità molto piccola. "Se la fedeltà moltiplicata per la probabilità è molto inferiore al 50%, non è molto utile per il rilevamento, Per esempio, " spiega Hosseini. Al contrario, Hosseini, Vuletic e i suoi collaboratori sono stati in grado di dimostrare sfasamenti fino a π/2, dove lo sfasamento medio è π/80 e l'amplificazione del numero di fotoni di un fattore di circa 30. Sebbene questi eventi rimangano rari, la probabilità è più promettente per le applicazioni pratiche.

"Prima, la gente aveva pensato a questa amplificazione silenziosa e a qualsiasi sfasamento come campi completamente disparati, " aggiunge Vuletic. "Abbiamo dimostrato che è la stessa cosa, e puoi avere un piccolo cambiamento di parametri per passare dagli sfasamenti al guadagno."

Ci sono molte tecnologie emergenti di rete quantistica che affrontano un ostacolo in assenza di una tecnologia pratica per amplificare i segnali, come la comunicazione quantistica a lunga distanza, o quando si collegano più computer quantistici, ciascuno con un numero gestibile di qubit per aumentare la capacità di elaborazione. "Le perdite e la decoerenza sono sempre un problema, " dice Vuletic.

Mentre Vuletic sta ora lavorando su "superatomi" che possono aumentare l'accoppiamento dei fotoni, Il lavoro di Hosseini sta affrontando il mondo più disordinato dello stato solido per replicare i fenomeni nei cristalli con ioni di terre rare. Questi sistemi non sono così puliti perché non è possibile avere una conoscenza così precisa dell'ambiente intorno agli ioni come per insiemi di atomi totalmente omogenei. Però, se il principio può essere dimostrato in questi sistemi, può offrire una base più pratica per le applicazioni e persino multiplexare gli effetti per aggiungere le probabilità per ogni scenario.

© 2020 Scienza X Rete