La tecnologia quantistica impiega tipicamente qubit (bit quantici) costituiti da, Per esempio, singoli elettroni, fotoni o atomi. Un gruppo di ricercatori della TU Delft ha ora dimostrato la capacità di teletrasportare uno stato qubit arbitrario da un singolo fotone su un dispositivo optomeccanico, costituito da una struttura meccanica composta da miliardi di atomi. La loro ricerca rivoluzionaria, ora pubblicato in Fotonica della natura , consente applicazioni del mondo reale come i nodi ripetitori di Internet quantistici, consentendo allo stesso tempo di studiare la stessa meccanica quantistica in nuovi modi.

Optomeccanica quantistica

Il campo dell'optomeccanica quantistica utilizza mezzi ottici per controllare il movimento meccanico nel regime quantistico. I primi effetti quantistici nei dispositivi meccanici su microscala sono stati dimostrati circa dieci anni fa. Da allora, sforzi mirati hanno portato a stati di entanglement tra dispositivi optomeccanici e dimostrazioni di una memoria quantistica optomeccanica. Ora, il gruppo di Simon Gröblacher, del Kavli Institute of Nanoscience e del Department of Quantum Nanoscience della Delft University of Technology, in collaborazione con ricercatori dell'Università di Campinas in Brasile, ha mostrato il primo teletrasporto riuscito di uno stato di qubit ottico arbitrario su una memoria quantistica micromeccanica.

Nodi ripetitori per un Internet quantistico

Il teletrasporto quantistico, il trasferimento fedele di uno stato quantistico di input sconosciuto su un sistema quantistico remoto, è un componente chiave dei protocolli di comunicazione quantistica a lunga distanza necessari per costruire un'internet quantistica. Proprio come il normale Internet, la distribuzione di informazioni quantistiche tra dispositivi quantistici in qualsiasi parte del mondo richiederà una rete di nodi ripetitori. Ogni nodo memorizzerà temporaneamente le informazioni quantistiche in una memoria prima di teletrasportarle a un nodo successivo, stabilendo infine una comunicazione quantistica a lunga distanza.

Due risonatori micromeccanici che condividono un unico stato quantico

Nel loro esperimento, i ricercatori creano un qubit fotonico codificato per polarizzazione in uno stato quantistico arbitrario. Quindi trasportano questo fotone su decine di metri di fibra ottica e lo teletrasportano nella loro memoria quantistica composta da due enormi, risonatori meccanici al silicio, ciascuno di circa 10 micrometri di dimensione e composto da decine di miliardi di atomi. Le informazioni quantistiche sono state memorizzate nel sottospazio a eccitazione singola dei due risonatori. Per verificare l'affidabilità del processo, i ricercatori hanno inoltre dimostrato di poter recuperare fedelmente questo stato teletrasportato dalla memoria.

lunghezze d'onda delle telecomunicazioni

Sebbene il teletrasporto quantistico sia già stato dimostrato in vari sistemi quantistici, l'uso di dispositivi optomeccanici è una svolta perché possono essere progettati per funzionare a qualsiasi lunghezza d'onda ottica, comprese le lunghezze d'onda delle fibre di telecomunicazione a infrarossi a bassa perdita. "È questa lunghezza d'onda che si traduce nella perdita di trasmissione più bassa, consentendo la massima distanza tra i nodi ripetitori, " dice Gröblacher. "Questo traguardo è stato possibile grazie alla qualità e alla flessibilità dei nostri sistemi optomeccanici nanofabbricati, quale, a differenza della maggior parte degli altri sistemi quantistici, consentono proprietà ottiche progettate in modo indipendente. Una futura Internet quantistica utilizzerà senza dubbio la rete di telecomunicazioni esistente a questa lunghezza d'onda".

Tutti gli elementi costitutivi

In linea di principio, il teletrasporto quantistico può essere effettuato su distanze arbitrarie. Teletrasportando uno stato quantico fotonico su decine di metri di fibra ottica su una memoria quantistica, i ricercatori hanno dimostrato la necessità di un nodo ripetitore quantistico optomeccanico completamente funzionale. Gröblacher:"Ora dobbiamo migliorare ulteriormente le prestazioni al livello richiesto per un sistema che può essere implementato in un'applicazione del mondo reale, come aumentare i tassi di ripetizione, fedeltà e il tasso di successo del teletrasporto e dell'archiviazione dei qubit." Secondo Thiago Alegre, ricercatore presso l'Università di Campinas e collaboratore di questo progetto, un percorso sarà quello di progettare sistemi optomeccanici resistenti all'assorbimento ottico dei parassiti. "Questo può essere realizzato grazie alla flessibilità di questi dispositivi nanofabbricati".

Un approccio ibrido

L'attuale ricerca è un grande passo avanti verso la visione di Gröblacher di una futura Internet quantistica ibrida. "Stiamo lavorando per una rete eterogenea in cui sono presenti vari sistemi fisici che comunicano e svolgono diverse funzionalità, ", dice. "Potresti avere nodi ripetitori quantistici optomeccanici collegati a un computer quantistico o a una memoria costituita da qubit superconduttori o sistemi quantistici di spin, rispettivamente. Tutti questi dovranno essere compatibili tra loro e funzionare alla stessa lunghezza d'onda per trasferire fedelmente le informazioni quantistiche".

Transizione quantistica a classica

Oltre a consentire la costruzione di nuove tecnologie quantistiche, la capacità di teletrasportare uno stato qubit arbitrario su enormi, gli oscillatori meccanici possono essere utilizzati anche per testare la fisica quantistica stessa a un livello fondamentale. Mentre i sistemi molto piccoli si comportano tipicamente secondo le leggi della meccanica quantistica, i grandi sistemi sono governati dalle leggi classiche della fisica. "Gli esperimenti hanno escluso alcune teorie che descrivono i meccanismi di decoerenza che portano alla transizione da quantistica a classica, ma siamo lontani da una risposta definitiva, " Dice Gröblacher. "Poiché è relativamente facile scalare i nostri sistemi optomeccanici e utilizzare il teletrasporto per creare stati quantistici interessanti, questo è un passo importante nella comprensione di questo confine".