La prima rivoluzione quantistica ha portato all'elettronica dei semiconduttori, il laser e infine Internet. L'arrivo, la seconda rivoluzione quantistica promette una comunicazione a prova di spionaggio, sensori quantistici estremamente precisi e computer quantistici per compiti di calcolo precedentemente irrisolvibili. Ma questa rivoluzione è ancora agli inizi. Un oggetto di ricerca centrale è l'interfaccia tra dispositivi quantistici locali e quanti di luce che consentono la trasmissione remota di informazioni quantistiche altamente sensibili. Il gruppo Otto-Hahn "Quantum Networks" presso il Max-Planck-Institute of Quantum Optics di Garching sta ricercando un tale "modem quantistico". Il team ha ora raggiunto una prima svolta in una tecnologia relativamente semplice ma altamente efficiente che può essere integrata nelle reti in fibra ottica esistenti. Il lavoro è pubblicato questa settimana in Revisione fisica X .

La pandemia di Corona è un promemoria quotidiano di quanto sia diventato importante Internet. Il World Wide Web, una volta un sottoprodotto della ricerca fisica di base, ha cambiato radicalmente la nostra cultura. Un Internet quantistico potrebbe diventare la prossima grande innovazione fuori dalla fisica?

È ancora troppo presto per rispondere a questa domanda, ma la ricerca di base sta già lavorando sull'internet quantistica. Molte applicazioni saranno più specializzate e meno sensuali delle videoconferenze, ma l'importanza di una comunicazione a lunga distanza assolutamente a prova di spionaggio è comprensibile a tutti. "Nel futuro, un'internet quantistica potrebbe essere utilizzata per connettere computer quantistici situati in luoghi diversi, " Andreas Reiserer dice, "che aumenterebbe notevolmente la loro potenza di calcolo!" Il fisico è a capo del gruppo di ricerca indipendente Otto-Hahn "Quantum Networks" presso il Max-Planck-Institute of Quantum Optics a Garching.

Un'internet quantistica riguarda quindi essenzialmente la messa in rete globale di nuove tecnologie che fanno un uso molto più conseguente della fisica quantistica che mai. Però, ciò richiede interfacce adeguate per le informazioni quantistiche estremamente sensibili. Questa è un'enorme sfida tecnica, ecco perché tali interfacce sono al centro della ricerca fondamentale. Devono garantire che i bit quantistici stazionari, in breve qubit, interagiscano in modo efficiente con i qubit "volanti" per la comunicazione a lunga distanza senza distruggere le informazioni quantistiche. I qubit stazionari saranno posizionati nei dispositivi locali, ad esempio come memoria o processore di un computer quantistico. I qubit volanti sono in genere quanti leggeri, fotoni, che trasportano le informazioni quantistiche attraverso l'aria, un vuoto di spazio o attraverso reti in fibra ottica.

Connessione delicata tra bit quantistici

Il "modem quantistico" è progettato per stabilire in modo efficiente una connessione tra qubit volanti e stazionari. Per questo scopo, il team attorno al dottorando Benjamin Merkel ha sviluppato una nuova tecnologia e ne ha appena dimostrato le funzionalità di base. Il suo vantaggio cruciale è che potrebbe essere integrato nella rete di telecomunicazioni in fibra ottica esistente. Questo sarebbe il modo più veloce per far progredire una rete funzionante a lunga distanza di tecnologie quantistiche.

Perché questo sistema funzioni, i fotoni inviati o ricevuti dal modem come portatori di informazioni quantistiche devono essere abbinati con precisione alla lunghezza d'onda infrarossa della luce laser utilizzata per le telecomunicazioni. Ciò significa che il modem deve avere qubit a riposo che possano reagire proprio a questi fotoni infrarossi con un salto quantico. Solo in questo modo l'informazione quantistica sensibile può essere trasmessa direttamente tra i qubit a riposo e i qubit volanti.

Ricerche approfondite del gruppo di Garching hanno dimostrato che l'elemento erbio è il più adatto a questo scopo. I suoi elettroni possono eseguire un salto quantico perfettamente corrispondente. Sfortunatamente, gli atomi di erbio sono molto riluttanti a fare questo salto quantico. Perciò, devono essere fissati in un ambiente che li costringa a reagire più rapidamente. Risolvere questo problema, gli atomi di erbio ei fotoni infrarossi sono rinchiusi in uno spazio adatto il più a lungo possibile. "Puoi pensarla come una festa, che dovrebbe stimolare la migliore comunicazione possibile tra, diciamo, dieci ospiti, "Spiega Reiserer. La dimensione dello spazio è fondamentale qui. "In uno stadio di calcio gli ospiti si perderebbero, una cabina telefonica a sua volta sarebbe troppo piccola, " continua il fisico, "ma un soggiorno andrebbe benissimo."

La festa, però, sarebbe presto finita perché i fotoni viaggiano alla velocità della luce e sono quindi altamente volatili e sempre tentati di andarsene. Questo è il motivo per cui il modem quantistico Garching utilizza un minuscolo armadietto a specchio come "soggiorno". il team ha impacchettato gli atomi in un cristallo trasparente fatto di un composto di silicato di ittrio, che è cinque volte più sottile di un capello umano. Questo cristallo, a sua volta, è posizionato come un panino steso tra due specchi quasi perfetti. Per eliminare l'oscillazione termica degli atomi, che è distruttivo per l'informazione quantistica, l'intero insieme viene raffreddato a meno 271 °C.

Ping-pong Photon nell'armadietto a specchio

I fotoni intrappolati tra gli specchi vengono riflessi avanti e indietro attraverso il cristallo come palline da ping-pong. Passano gli atomi di erbio così spesso che gli atomi hanno abbastanza tempo per reagire con un salto quantico. Rispetto a una situazione senza armadietto a specchio, questo avviene in modo molto più efficiente e quasi sessanta volte più veloce. Poiché gli specchi, nonostante la loro perfezione, sono anche leggermente permeabili ai fotoni, il modem può connettersi alla rete.

"Siamo molto felici di questo successo, " dice Reiserer. Come passo successivo, vuole migliorare l'esperimento in modo tale che i singoli atomi di erbio possano essere indirizzati come qubit tramite luce laser. Questo non è solo un passo importante verso un modem quantistico utilizzabile. Gli atomi di erbio come qubit in un cristallo possono anche servire direttamente come processore quantistico, che è la parte centrale di un computer quantistico. Ciò renderebbe il modem facilmente compatibile con tali terminali quantistici.

Con una soluzione così elegante, Diventerebbero possibili anche "ripetitori quantistici" di costruzione relativamente semplice. Ogni cento chilometri, i dispositivi dovrebbero compensare le crescenti perdite di informazione quantistica trasportata dai fotoni nella rete in fibra ottica. Tali "ripetitori quantistici" sono anche al centro della ricerca internazionale. "Sebbene un dispositivo del genere basato sulla nostra tecnologia costerebbe circa centomila euro, un uso diffuso non sarebbe irrealistico, " dice Reiserer.

Il modem quantistico di Garching è ancora una ricerca puramente fondamentale. Ma ha il potenziale per far progredire la realizzazione tecnica di un'internet quantistica.