I fisici del Max Planck Institute of Quantum Optics sono riusciti a intrappolare più di una dozzina di fotoni in modo efficiente e definito. Stanno così creando una base per un nuovo tipo di computer quantistico. Il loro studio è pubblicato su Nature .

I fenomeni del mondo quantistico, che spesso sembrano bizzarri dal punto di vista del comune mondo quotidiano, hanno da tempo trovato la loro strada nella tecnologia. Ad esempio, entanglement:una connessione quanto-fisica tra particelle che le collega in modo strano su distanze arbitrariamente lunghe. Può essere utilizzato, ad esempio, in un computer quantistico, una macchina informatica che, a differenza di un computer convenzionale, può eseguire numerose operazioni matematiche contemporaneamente. Tuttavia, per utilizzare un computer quantistico in modo proficuo, un gran numero di particelle entangled deve lavorare insieme. Sono gli elementi base per i calcoli, i cosiddetti qubit.

"I fotoni, le particelle di luce, sono particolarmente adatti a questo perché sono robusti per natura e facili da manipolare", afferma Philip Thomas, uno studente di dottorato presso il Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) a Garching, vicino a Monaco. Insieme ai colleghi della Divisione Quantum Dynamics guidata dal Prof. Gerhard Rempe, è ora riuscito a compiere un passo importante nel rendere i fotoni utilizzabili per applicazioni tecnologiche come il calcolo quantistico:per la prima volta, il team ha generato fino a 14 fotoni entangled in in modo definito e ad alta efficienza.

Un atomo come sorgente di fotoni

"Il trucco di questo esperimento era che abbiamo usato un singolo atomo per emettere i fotoni e intrecciarli in un modo molto specifico", afferma Thomas. Per fare ciò, i ricercatori di Max Planck hanno posizionato un atomo di rubidio al centro di una cavità ottica, una specie di camera d'eco per le onde elettromagnetiche. Con la luce laser di una certa frequenza, lo stato dell'atomo potrebbe essere indirizzato con precisione. Utilizzando un impulso di controllo aggiuntivo, i ricercatori hanno anche attivato in modo specifico l'emissione di un fotone che è intrecciato con lo stato quantistico dell'atomo.

"Abbiamo ripetuto questo processo diverse volte e in un modo precedentemente determinato", riferisce Thomas. Nel mezzo, l'atomo è stato manipolato in un certo modo, in gergo tecnico:ruotato. In questo modo è stato possibile creare una catena composta da un massimo di 14 particelle di luce che sono state intrecciate tra loro dalle rotazioni atomiche e portate nello stato desiderato. "Per quanto ne sappiamo, le 14 particelle di luce interconnesse rappresentano il maggior numero di fotoni entangled che sia stato generato in laboratorio finora", afferma Thomas.

Processo di generazione deterministico

Ma non è solo la quantità di fotoni entangled a segnare un passo importante verso lo sviluppo di potenti computer quantistici, anche il modo in cui vengono generati è molto diverso dai metodi convenzionali. "Poiché la catena di fotoni è emersa da un singolo atomo, potrebbe essere prodotta in modo deterministico", spiega Thomas. Ciò significa:in linea di principio, ogni impulso di controllo fornisce effettivamente un fotone con le proprietà desiderate. Finora, l'entanglement dei fotoni avveniva solitamente in speciali cristalli non lineari. Il difetto:lì, le particelle di luce vengono essenzialmente create in modo casuale e in un modo che non può essere controllato. Questo limita anche il numero di particelle che possono essere raggruppate in uno stato collettivo.

Il metodo utilizzato dal team di Garching, d'altra parte, consente di generare praticamente un numero qualsiasi di fotoni entangled. Inoltre, il metodo è particolarmente efficiente, un'altra misura importante per possibili applicazioni tecniche future:"Misurando la catena di fotoni prodotta, siamo stati in grado di dimostrare un'efficienza di quasi il 50%", afferma Philip Thomas. Ciò significa che quasi ogni secondo "pressione di un pulsante" sull'atomo di rubidio ha fornito una particella di luce utilizzabile, molto più di quanto sia stato ottenuto in esperimenti precedenti. "Tutto sommato, il nostro lavoro rimuove un ostacolo di vecchia data sul percorso verso il calcolo quantistico scalabile e basato su misurazioni", afferma il direttore del dipartimento Gerhard Rempe..

Più spazio per la comunicazione quantistica

Gli scienziati dell'MPQ vogliono rimuovere l'ennesimo ostacolo. Operazioni di calcolo complesse, ad esempio, richiederebbero almeno due atomi come sorgenti di fotoni nel risonatore. I fisici quantistici parlano di uno stato di ammasso bidimensionale. "Stiamo già lavorando per affrontare questo compito", afferma Philip Thomas.

Il ricercatore di Max Planck sottolinea inoltre che le possibili applicazioni tecniche vanno ben oltre l'informatica quantistica:"Un altro esempio di applicazione è la comunicazione quantistica", la trasmissione di informazioni a prova di tocco, ad esempio tramite la luce in una fibra ottica. Lì, la luce subisce inevitabili perdite durante la sua propagazione a causa di effetti ottici come la diffusione e l'assorbimento, che limitano la distanza su cui i dati possono essere trasportati. Utilizzando il metodo sviluppato a Garching, le informazioni quantistiche potrebbero essere impacchettate in fotoni entangled e potrebbero anche sopravvivere a una certa quantità di perdita di luce e consentire una comunicazione sicura su distanze maggiori. + Esplora ulteriormente

I ricercatori ottengono un entanglement record di memorie quantistiche