Durante gli anni '90, gli ingegneri hanno fatto grandi progressi nell'arena delle telecomunicazioni estendendo la rete a distanze oltre le città e le aree metropolitane. Per ottenere questo fattore di scalabilità, usavano ripetitori, che ha migliorato i segnali attenuati e ha permesso loro di percorrere distanze maggiori con le stesse caratteristiche come intensità o fedeltà. Ora, con l'aggiunta di satelliti, è del tutto normale essere in mezzo a una montagna in Europa e parlare con i propri cari che vivono nell'altra parte del mondo.

Sulla strada verso la costruzione del futuro Internet quantistico, le memorie quantistiche svolgono lo stesso ruolo. Insieme alle fonti di qubit, sono gli elementi costitutivi di questo nuovo internet, agendo come ripetitori quantistici delle operazioni sui dati e utilizzando la sovrapposizione e l'entanglement come ingredienti chiave del sistema. Ma per far funzionare tale sistema a livello quantistico, l'intreccio tra le memorie quantistiche doveva essere creato su lunghe distanze e mantenuto nel modo più efficiente possibile.

Tutti insieme in uno

In uno studio pubblicato di recente su Natura , Scienziati ICFO Dario Lago, Samuele Grandi, Alessandro Seri e Jelena Rakonjac, guidato da ICREA Prof presso ICFO, Hugues de Riedmatten, hanno raggiunto scalabilità, intreccio materia-materia annunciato dalle telecomunicazioni tra due remoti, memorie quantistiche multimodali e allo stato solido. In parole più semplici, sono stati in grado di immagazzinare, per un massimo di 25 microsecondi, un singolo fotone in due memorie quantistiche posizionate a 10 metri di distanza.

I ricercatori sapevano che il fotone era in uno dei due ricordi, ma non sapevano in quale, che enfatizzava questa nozione controintuitiva che abbiamo della natura, che permette al fotone di trovarsi contemporaneamente in uno stato di sovrapposizione quantistica nelle due memorie quantistiche ma, sorprendentemente, 10 metri di distanza. Il team sapeva anche che l'entanglement era stato creato con il rilevamento di un fotone alla lunghezza d'onda delle telecomunicazioni, ed è stato immagazzinato nelle memorie quantistiche in modo multiplexato, "una caratteristica simile alla possibilità di inviare più messaggi contemporaneamente in un canale classico." Queste due caratteristiche chiave sono state raggiunte insieme per la prima volta e definiscono il trampolino di lancio nell'estensione di questo schema a distanze molto più lunghe.

Come Dario Lago, un dottorato di ricerca studente all'ICFO e primo autore dello studio, sottolinea con entusiasmo "Finora, molte delle pietre miliari raggiunte in questo esperimento sono state fatte da altri gruppi, come impigliare memorie quantistiche o ottenere l'archiviazione dei fotoni in memorie quantistiche con un'efficienza molto elevata e velocità elevate. Ma, l'unicità di questo esperimento è che le nostre tecniche hanno raggiunto tassi molto elevati e possono essere estese a distanze più lunghe".

Impostazione dell'esperimento

Raggiungere questo punto di riferimento ha richiesto impegno e tempo. Nel corso di diversi mesi, il team ha impostato l'esperimento, dove hanno usato un cristallo drogato con terre rare come memoria quantistica per la base del loro test.

Quindi, hanno preso due sorgenti generando coppie correlate di singoli fotoni. In ogni coppia, un fotone, chiamato pigro, è a 1436 nm (lunghezza d'onda delle telecomunicazioni), e l'altro, segnale denominato, ha una lunghezza d'onda di 606 nm. I fotoni di segnale singolo, sono stati inviati a una memoria quantistica, composto da milioni di atomi tutti disposti casualmente all'interno di un cristallo, e memorizzati lì tramite un protocollo chiamato pettine di frequenza atomica. Accanto, i fotoni pigri, chiamati anche fotoni annunciatori o messaggeri, sono stati inviati attraverso una fibra ottica a un dispositivo chiamato divisore di fascio, dove le informazioni sulla loro origine e percorso sono state completamente cancellate. Samuele Grandi, ricercatore post-dottorato e co-primo autore dello studio, Commenti, "Abbiamo cancellato qualsiasi tipo di caratteristica che ci dicesse da dove provenissero i fotoni pigri, lascia che sia la fonte 1 o 2, e lo abbiamo fatto perché non volevamo conoscere alcuna informazione sul segnale fotone e in quale memoria quantistica fosse memorizzato." Cancellando queste caratteristiche, il fotone del segnale potrebbe essere stato immagazzinato in una qualsiasi delle memorie quantistiche, il che significa che si è creato un entanglement tra di loro.

Ogni volta che gli scienziati vedevano sul monitor lo scatto di un fotone inattivo che arrivava al rivelatore, hanno potuto confermare e verificare che ci fosse, infatti, intreccio. Questo entanglement consisteva in un fotone di segnale in uno stato di sovrapposizione tra le due memorie quantistiche, dove è stato memorizzato come eccitazione condivisa da decine di milioni di atomi per un massimo di 25 microsecondi.

Come menzionano Sam e Dario, "La cosa curiosa dell'esperimento è che non è possibile sapere se il fotone è stato immagazzinato nella memoria quantistica nel laboratorio 1 o nel laboratorio 2, che era a più di 10 metri di distanza. Sebbene questa fosse la caratteristica principale del nostro esperimento, e uno che ci aspettavamo, i risultati in laboratorio erano ancora controintuitivi, e ancora più strano e strabiliante per noi è che siamo stati in grado di controllarlo!"

L'importanza dei fotoni annunciati

La maggior parte degli studi precedenti che hanno sperimentato l'entanglement e le memorie quantistiche hanno utilizzato i fotoni araldici per sapere se l'entanglement tra le memorie quantistiche aveva avuto successo o meno. Un fotone che annuncia è come una colomba messaggera e gli scienziati possono sapere al suo arrivo che l'entanglement tra le memorie quantistiche è stato stabilito. Quando questo accade, i tentativi di entanglement si fermano e l'entanglement viene memorizzato nelle memorie prima di essere analizzato.

In questo esperimento, gli scienziati hanno usato un fotone annunciante nella frequenza delle telecomunicazioni, confermando che l'entanglement che si sta producendo potrebbe essere stabilito con un fotone compatibile con le reti di telecomunicazioni esistenti, un'impresa importante poiché consente di creare entanglement su lunghe distanze e, ancora di più, consente a queste tecnologie quantistiche di essere facilmente integrate nelle infrastrutture di rete classiche esistenti.

Il multiplexing è la chiave

Il multiplexing è la capacità di un sistema di inviare più messaggi contemporaneamente attraverso un solo canale di trasmissione. Nelle telecomunicazioni classiche, questo è uno strumento frequente utilizzato per trasmettere dati su Internet. Nei ripetitori quantistici, tale tecnica è leggermente più complessa. Con memorie quantistiche standard, bisogna aspettare che il messaggio che annuncia l'intreccio ritorni nei ricordi, prima che si possa riprovare a creare entanglement. Ma con l'uso del protocollo a pettine a frequenza atomica, che consente questo approccio multiplexing, i ricercatori sono stati in grado di immagazzinare i fotoni entangled in molti momenti diversi nella memoria quantistica, senza dover attendere un evento annunciatore di successo prima di generare la successiva coppia entangled. Questa condizione, chiamato "multiplexing temporale, " è una caratteristica fondamentale che rappresenta un notevole aumento dei tempi di funzionamento del sistema, portando ad un aumento del tasso di entanglement finale.

Passi futuri

Come afferma entusiasta il Prof. ICREA dell'ICFO Hugues de Riedmatten, "Questa idea è stata concepita più di 10 anni fa e sono entusiasta di vedere che ora ha avuto successo in laboratorio. I prossimi passi sono portare l'esperimento fuori dal laboratorio, cercare di collegare tra loro diversi nodi e distribuire l'entanglement su distanze molto più grandi, oltre quello che abbiamo attualmente. Infatti, siamo nel bel mezzo della realizzazione del primo collegamento quantistico di 35 km, che sarà fatto tra Barcellona e ICFO, a Castelldefels".

È chiaro che la futura rete quantistica porterà molte applicazioni nel prossimo futuro. Questo traguardo raggiunto dimostra e conferma che siamo sulla strada giusta per sviluppare queste tecnologie dirompenti e iniziare a implementarle in quello che sarà un nuovo modo di comunicare, Internet quantistico.