I ricercatori dell'Università della Sorbona di Parigi hanno ottenuto un trasferimento altamente efficiente dell'entanglement quantistico all'interno e all'esterno di due dispositivi di memoria quantistica. Questo risultato porta un ingrediente chiave per la scalabilità di un futuro Internet quantistico.

Un'Internet quantistica che collega più sedi è un passo fondamentale nelle roadmap della tecnologia quantistica in tutto il mondo. In tale contesto, l'European Quantum Flagship Program ha lanciato la Quantum Internet Alliance nel 2018. Questo consorzio coordinato da Stephanie Wehner (QuTech-Delft) è composto da 12 importanti gruppi di ricerca presso università di otto paesi europei, in stretta collaborazione con oltre 20 aziende e istituti. Hanno unito le loro risorse e aree di competenza per sviluppare un progetto per una futura Internet quantistica e le tecnologie necessarie.

Un'internet quantistica utilizza un intrigante fenomeno quantistico per connettere insieme diversi nodi in una rete. In una normale connessione di rete, i nodi scambiano informazioni inviando elettroni o fotoni avanti e indietro, rendendoli vulnerabili alle intercettazioni. In una rete quantistica, i nodi sono collegati da entanglement, La famosa "azione spettrale a distanza" di Einstein. Queste correlazioni non classiche a grandi distanze consentirebbero non solo comunicazioni sicure oltre la trasmissione diretta, ma anche calcolo quantistico distribuito o rilevamento avanzato.

Però, una delle principali sfide nella costruzione di reti quantistiche su larga scala è la capacità di generare tali correlazioni tra nodi distanti. In linea di principio, questa sfida può essere superata se l'entanglement viene archiviato in modo affidabile in dispositivi di memoria quantistica. Dividendo la lunga distanza in diversi segmenti più brevi, è possibile creare intrecci tra le estremità di questi collegamenti elementari, e quindi collegarli fino a quando entrambi i nodi iniziali non sono entangled. I dispositivi di memoria quantistica immagazzinano l'entanglement, assicurandosi che l'entanglement sia stato creato su tutti i segmenti prima di eseguire i collegamenti. Questo protocollo è noto come ripetitore quantistico.

Un parametro critico è l'efficienza dei dispositivi di memoria quantistica:se un dispositivo non riesce a registrare o recuperare la luce entangled, il ripetitore quantistico non può funzionare correttamente. Ad esempio, un aumento dell'efficienza di stoccaggio e recupero dal 60% al 90% riduce drasticamente il tempo medio di distribuzione dell'entanglement su una distanza di 600 chilometri, tipicamente di due ordini di grandezza. Uno degli obiettivi del consorzio QIA è gettare le basi per la tecnologia dei ripetitori quantistici costruendo dispositivi di memoria altamente efficienti per l'entanglement utilizzando diverse piattaforme fisiche.

Nel numero online di ottobre 2020 di ottica , Il prof. Julien Laurat e il suo team al Kastler Brossel Laboratory (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Università PSL, Collège de France) ha riportato un passo tanto atteso per questa impresa. Hanno dimostrato l'archiviazione e il recupero di fasci di luce intrecciati in due dispositivi di memoria quantistica, con un'efficienza complessiva fino all'85%. Questo valore costituisce un aumento di oltre tre volte rispetto ai lavori precedenti nel campo.

"Questo risultato è il risultato di 10 anni di sviluppi sperimentali nel nostro laboratorio. Ora apre la strada a ulteriori indagini poiché molte potenziali architetture di rete assumono un tale valore di efficienza per la scalabilità, "dice Félix Hoffet, un dottorato di ricerca studente presso LKB e uno dei principali autori del documento.

L'esperimento di Parigi ha coinvolto un insieme molto allungato di atomi di cesio raffreddati al laser ed era basato sul protocollo chiamato trasparenza indotta elettromagneticamente. Un raggio laser di controllo rende il mezzo trasparente e rallenta la luce del segnale di urto che trasporta le informazioni. Quando il segnale è contenuto nell'ensemble e il raggio di controllo è spento, l'informazione viene convertita in un'eccitazione collettiva degli atomi, che viene memorizzato fino alla riaccensione dei raggi di controllo. Il team di Laurat ha prima generato due fasci di luce che sono impigliati e poi li ha mappati in due memorie seguendo questo protocollo. Utilizzando specifiche transizioni atomiche e raggiungendo un assorbimento molto grande in ogni memoria, i ricercatori sono stati in grado di scrivere e leggere l'entanglement con un'efficienza senza precedenti, preservando una bassissima contaminazione acustica.

"La nostra efficienza record ha richiesto prima un forte sforzo teorico per comprendere meglio i fattori limitanti nella nostra precedente implementazione e poi un tour-de-force sperimentale per combinare insieme tutti gli ingredienti necessari, "aggiunge Mingtao Cao, un ex borsista postdottorato Marie Curie e l'altro autore principale del documento. Alessandra Sheremet, un ex Marie Curie Fellow e anche autore del documento, ha svolto un ruolo chiave nella simulazione dell'intero processo e tenendo conto della complessità dei molteplici livelli di energia in questo sistema atomico.

Il lavoro riportato in ottica è un trampolino di lancio per ulteriori indagini. Però, il percorso per la costruzione di reti su larga scala è ancora lastricato di sfide. Per esempio, i dispositivi di memoria quantistica efficienti devono anche avere lunghi tempi di archiviazione per creare entanglement più velocemente di quanto non vada perso. Questa caratteristica critica può anche venire con la capacità di memorizzare diverse informazioni in parallelo. Il consorzio QIA sta affrontando questi vari aspetti, sia teoricamente che sperimentalmente. Il team del Prof. Laurat a Parigi si sta concentrando ad esempio sullo sviluppo di memorie "spazialmente multiplexate" in grado di memorizzare più stati contemporaneamente per parallelizzare le connessioni quantistiche.