I ricercatori del Kastler Brossel Laboratory di Parigi sono riusciti a implementare un nuovo protocollo di scambio di entanglement "ibrido", portando a portata di mano la connessione di piattaforme disparate in un futuro, strutturato in modo eterogeneo, Internet quantistico.

Nel 29 maggio ^ns numero in linea di Progressi scientifici , Il prof. Julien Laurat e i suoi colleghi della LKB (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Università PSL, Collegio di Francia), con i collaboratori del NIST Boulder, hanno annunciato un passo importante verso lo sviluppo di reti quantistiche eterogenee. Il team ha dimostrato un modo per collegare diversi tipi di nodi quantistici che non sono necessariamente basati sullo stesso tipo di codifica. L'abilitazione di un tale tipo di collegamento è un requisito cruciale per l'interconnessione di diverse piattaforme fisiche in grado di eseguire attività dedicate con potenziamento quantistico.

Le reti quantistiche sono composte da sistemi quantistici situati in nodi distanti e collegati tramite correlazioni non classiche note come entanglement, l'"azione spettrale a distanza". Si ritiene che superino le attuali reti classiche in attività che vanno dalla comunicazione quantistica sicura alle misurazioni avanzate. Analogamente alle reti classiche, dove le informazioni possono essere codificate in due distinte codifiche digitali o analogiche a seconda delle attività da svolgere, le reti quantistiche possono fare affidamento su due tipi di codifiche, come esemplificato dalla dualità particella-onda. Da una parte, lato si può favorire la natura particellare dei bit quantistici (o qubit) in una codifica simile a quella digitale, e indicato come "variabile discreta". D'altra parte, si potrebbe preferire l'uso della "variabile continua, "analogico, codifica che scaturisce dalla natura ondulata delle particelle, una ben nota conseguenza della meccanica quantistica.

Nelle reti quantistiche, la connessione di nodi distanti viene eseguita da una specifica operazione chiamata scambio di entanglement. Questa procedura consente di connettere sistemi che non hanno mai interagito prima utilizzando una misura specializzata tra altre due risorse separatamente entangled con i sistemi coinvolti. Questa operazione, nota come misurazione dello stato di Bell, trasferisce efficacemente, o "teletrasporta", l'entanglement ai sistemi finali. Però, per la fragilità dell'intreccio, l'implementazione di un protocollo così centrale per la creazione di connessioni quantistiche è una vera sfida per i fisici. Per ottenere il trasferimento dell'entanglement e la connessione tra diversi tipi di nodi, devono essere prodotti due stati altamente entangled, in particolare uno stato "entangled ibrido" tra qubit simili a particelle e simili a onde. Il team di LKB ha propagato con successo, da queste due fonti, intreccio tra diversi stati di luce che non hanno mai interagito direttamente.

"Questo lavoro è un trampolino di lancio per ulteriori indagini sull'implementazione di reti quantistiche eterogenee, "dice Tom Darras, uno studente laureato presso LKB e uno dei principali autori del documento. "Finora, due comunità stavano sviluppando la comunicazione quantistica utilizzando percorsi diversi. Ora che il ponte è stato costruito, ci aspettiamo di vedere, sfruttando i vantaggi di ciascuna filiale, l'emergere di nuovi scenari ibridi che vanno molto oltre gli sviluppi attuali".

I due stati ottici entangled coinvolti nell'esperimento sono ingegnerizzati utilizzando oscillatori parametrici ottici, che sono sorgenti non lineari efficienti. Uno stato entangled si ottiene "dividendo" un singolo fotone tra due percorsi diversi, senza sapere quale strada si segue. L'altro è uno stato "entangled ibrido" tra un qubit ottico a variabile discreta e un qubit ottico gatto di Schrödinger a variabile continua, che si riferisce all'esperimento Gekanden di Schrödinger che accoppia un oggetto macroscopico a un sistema quantistico. Una volta che l'entanglement è generato attraverso un processo di annuncio, viene quindi scambiato tramite un'esclusiva misurazione ibrida dello stato di Bell. Gli autori hanno compiuto ogni fase di questa dimostrazione, dalla creazione degli stati entangled iniziali alla caratterizzazione completa dell'entanglement dopo l'operazione di scambio.

"L'esperienza completa del team nell'entanglement ingegneristico, accoppiato a strumenti all'avanguardia per la generazione e la caratterizzazione dello stato quantistico, è stato determinante per il successo del protocollo" aggiunge Giovanni Guccione, un borsista postdottorato Marie Curie che è anche uno dei principali autori dello studio.

Oltre alla creazione di un collegamento tra utenti disparati, l'esperimento è un passo fondamentale verso la costruzione di reti scalabili. "L'entanglement è una risorsa intrinsecamente fragile, il che significa che la sua distribuzione su distanze maggiori rappresenta una sfida significativa" osserva Adrien Cavaillès, borsista post-dottorato e corrispondente autore del documento. "Poiché estende la gamma accessibile di distribuzione, il protocollo di scambio di entanglement eseguito dal gruppo è una capacità cruciale per le future reti quantistiche ibride su larga scala".

Il lavoro riportato in Progressi scientifici è un importante risultato verso l'interconnessione di diverse piattaforme fisiche. Però, i ricercatori sottolineano anche che "anche se la capacità di connettere nodi quantistici di diversa natura è ora a portata di mano, il collegamento è per il momento limitato ai soli sistemi ottici, e deve essere esteso a molte altre piattaforme fisiche." Una rete quantistica eterogenea completamente funzionante richiede ancora progressi significativi nell'ingegneria e nel trasferimento dell'entanglement tra diversi sistemi di materia.

Questa dimostrazione si basa sui precedenti progressi del gruppo del Prof. Laurat negli ultimi anni, dalla prima dimostrazione dell'entanglement ibrido tra qubit simili a particelle e simili a onde all'ingegneria degli stati ibridi e al loro utilizzo nei protocolli di informazione quantistica, sia per la preparazione dello stato a distanza che per la certificazione di sicurezza.

Gli altri autori sono Hanna Le Jeannic, un precedente studente laureato presso LKB, Varun B. Verma e Sae Woo Nam, collaboratori al NIST Boulder. Questo lavoro è stato sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca, l'Agenzia nazionale di ricerca francese (progetto Hy-Light), Sorbonne Université e la Région Ile-de-France nell'ambito del DIM Sirteq.

Il titolo dell'articolo è "Collegare reti quantistiche eterogenee mediante lo scambio di entanglement ibrido". È disponibile dal 29 maggio ^ns numero in linea di Progressi scientifici .