Per creare grandi reti quantistiche, i ricercatori dovranno prima sviluppare ripetitori quantistici efficienti. Un componente chiave di questi ripetitori sono le memorie quantistiche, che sono gli equivalenti quantomeccanici delle memorie per computer più convenzionali, come le memorie ad accesso casuale (RAM).

Idealmente, una memoria quantistica dovrebbe essere in grado di conservare informazioni per periodi di tempo considerevoli, memorizzare i veri stati quantistici, leggere i dati in modo efficiente e operare a lunghezze d'onda di telecomunicazione a bassa perdita. Mentre i gruppi di ricerca hanno compiuto grandi progressi nello sviluppo delle memorie quantistiche, nessuna soluzione proposta finora è stata in grado di soddisfare tutte queste esigenze contemporaneamente.

Con questo in testa, i ricercatori della Delft University of Technology (TU Delft) hanno deciso di sviluppare una nuova memoria quantistica meccanica con tempi di archiviazione sufficientemente lunghi, un'elevata efficienza di lettura, e la capacità di operare alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni. La memoria che hanno inventato, presentato in un articolo pubblicato in Fisica della natura , potrebbe infine consentire l'implementazione pratica di sistemi meccanici con effetti quantistici sviluppati nei loro lavori precedenti.

"Stiamo lavorando per mostrare gli effetti quantistici dei sistemi meccanici da parecchi anni ormai, e hanno avuto un discreto successo nel realizzare vari stati quantistici, quindi li abbiamo davvero spinti verso una direzione di elaborazione delle informazioni quantistiche, "Simon Gröblacher, professore alla TU Delft, il cui gruppo di ricerca ha svolto lo studio, ha detto a Phys.org. "Per utilizzare alcuni di questi dispositivi per l'elaborazione delle informazioni quantistiche, però, un pugno deve dimostrare che possono essere usati per costruire un ripetitore quantistico e il componente principale di un ripetitore quantistico è una memoria quantistica".

Quando hanno iniziato a lavorare sulla loro memoria quantistica, Gröblacher e i suoi colleghi erano consapevoli che i risonatori meccanici dietro alcuni dei loro dispositivi potevano supportare tempi di vita molto lunghi. Volevano quindi metterli alla prova per vedere quali tempi di conservazione potevano supportare, indagando anche sulla loro coerenza (cioè, quanto velocemente sfaseranno).

"Abbiamo progettato un sistema che ha una durata di pochi millisecondi, sulla base del nostro lavoro precedente, poi lo ha testato e ha scoperto che il suo tempo di conservazione era effettivamente di circa due millisecondi., " ha detto Gröblacher. "Come secondo passo, abbiamo dovuto verificare che gli stati quantistici e le loro informazioni di fase fossero preservati in questo lasso di tempo. Per fare questo, abbiamo creato una sovrapposizione del sistema meccanico e abbiamo osservato come la fase della sovrapposizione si sarebbe evoluta nel tempo."

Quando i ricercatori hanno valutato per la prima volta la loro memoria quantistica, hanno scoperto che il suo stato di sovrapposizione è decaduto più velocemente della vita complessiva. Questo era tutt'altro che un risultato sorprendente, poiché è stato scoperto che molti sistemi precedentemente sviluppati presentano lo stesso modello di decadimento. Gröblacher e i suoi colleghi hanno deciso di esplorare ulteriormente questa scoperta per comprendere meglio i meccanismi alla base di questo breve tempo di decoerenza.

"L'obiettivo generale del nostro studio era dimostrare che la meccanica può effettivamente essere utilizzata come memoria quantistica e l'abbiamo raggiunto, " ha detto Gröblacher. " Sorprendentemente, è la prima volta che qualcuno lo dimostra".

La memoria quantistica ideata da Gröblacher e dai suoi colleghi ha diverse caratteristiche vantaggiose. Uno dei principali è che è completamente ingegnerizzabile, il che significa che le lunghezze d'onda ottiche alle quali opera sono selezionabili, poiché le risonanze ottiche e meccaniche del sistema sono completamente artificiali. I ricercatori li hanno progettati utilizzando un computer e quindi hanno fabbricato il dispositivo di conseguenza.

"Molti sistemi quantistici usano tipicamente la risonanza naturale, come una risonanza atomica o di terre rare, che li legava a determinate lunghezze d'onda, " disse Gröblacher. "Nostro, d'altra parte, è completamente ingegnerizzato, così possiamo scegliere dove lavorarlo. Nel nostro studio, abbiamo scelto 1550 nanometri, poiché volevamo che il nostro sistema funzionasse nella lunghezza d'onda della banda di telecomunicazione a bassa perdita."

Mentre molte memorie quantistiche sviluppate in precedenza hanno ottenuto risultati promettenti, pochissimi di loro erano in grado di operare alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni (circa 1550 nanometri), che sono essenzialmente le lunghezze d'onda alle quali tutte le telecomunicazioni avvengono su lunghe distanze. Inoltre, i ricordi che erano in grado di operare a queste lunghezze d'onda erano o molto complessi o avevano una vita estremamente breve.

"Siamo stati in grado di dimostrare che la nostra memoria ha una durata e una coerenza soddisfacenti della memoria, mentre si crea con successo lo stato di sovrapposizione, "Gröblacher ha detto. "Altri sistemi esistenti con stati di sovrapposizione della meccanica erano molto diversi e siamo stati i primi a soddisfare i requisiti chiave della memoria quantistica con un sistema opto-meccanico".

La memoria quantistica creata da Gröblacher e dai suoi colleghi è ancora una prova di concetto, ma le sue prestazioni sono molto promettenti. Nei loro studi futuri, i ricercatori vorrebbero ottenere una migliore comprensione del motivo per cui la sfasatura di uno stato quantistico avviene più velocemente della sua durata al fine di mitigare questo effetto.

"Vorremmo capire come evitare di avere una coerenza così breve, forse attraverso un design diverso che potrebbe aiutare la nostra comprensione dei meccanismi microscopici sottostanti, " ha detto Gröblacher. "Inoltre, abbiamo in programma di aumentare l'efficienza complessiva della nostra memoria (cioè, quanto efficientemente può scrivere e leggere uno stato)."

Nei prossimi due anni, Gröblacher ei suoi colleghi sperano di poter migliorare ulteriormente le prestazioni della loro memoria quantistica per facilitarne l'implementazione pratica. Inoltre, lo schema ottico che hanno proposto potrebbe ispirare lo sviluppo di altri componenti di memoria quantistica. L'obiettivo finale dei ricercatori è utilizzare la memoria quantistica che hanno creato per abilitare grandi reti quantistiche.

"L'applicazione principale per la nostra memoria sarebbe come parte di una rete quantistica o ripetitore quantistico, " ha detto Gröblacher. "La sua meccanica potrebbe agire come un elemento di memoria che consente connessioni con altri sistemi quantistici, come i qubit superconduttori, che sono molto bravi a eseguire l'elaborazione del calcolo quantistico. Riteniamo che sarebbe molto interessante utilizzare il nostro sistema come sistema quantistico ibrido in una rete del genere".

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