Le memorie quantistiche sono uno degli elementi costitutivi della futura Internet quantistica. Senza di loro, sarebbe piuttosto impossibile trasmettere informazioni quantistiche su lunghe distanze ed espandersi in una vera rete quantistica. Queste memorie hanno la missione di ricevere l'informazione quantistica codificata in un fotone sotto forma di qubit, immagazzinarla e poi recuperarla. Le memorie quantistiche possono essere realizzate in diversi sistemi materiali, ad esempio insiemi di atomi freddi o cristalli drogati.

Per essere memorie utili, devono soddisfare diversi requisiti, come l'efficienza, la durata e il multiplexing della loro capacità di archiviazione, per garantire la qualità della comunicazione quantistica che supporteranno. Un altro requisito che è diventato oggetto di notevole ricerca è la progettazione di memorie quantistiche che possano essere integrate direttamente nella rete in fibra ottica.

Negli ultimi anni e con il boom delle tecnologie quantistiche, c'è stato molto lavoro orientato a migliorare la scalabilità delle memorie quantistiche esistenti (renderle più piccole e/o dispositivi più semplici) per facilitare la loro integrazione e distribuzione in una rete di lavoro reale. Un tale approccio completamente integrato comporta diversi ostacoli fisici e ingegneristici, inclusa la ricerca di una soluzione che mantenga buone proprietà di coerenza, fornendo un sistema efficiente e stabile per trasferire fotoni dalle fibre ottiche alla memoria quantistica, nonché la miniaturizzazione del sistema di controllo di la memoria quantistica e la sua interfaccia con la luce in entrata. Tutto questo dovrebbe essere eseguito raggiungendo lo stesso livello di prestazioni ottenuto nelle versioni bulk "standard" del dispositivo. Finora questo si è rivelato impegnativo e le attuali realizzazioni delle memorie quantistiche integrate in fibra sono lontane da ciò che può essere raggiunto nelle memorie di massa.

Con questi obiettivi chiari, in un recente lavoro pubblicato su Science Advances , i ricercatori dell'ICFO Jelena Rakonjac, Dario Lago-Rivera, Alessandro Seri e Samuele Grandi, guidati dal Prof. ICREA dell'ICFO Hugues de Riedmatten, in collaborazione con Giacomo Corrielli e Roberto Osellame dell'IFN-CNR e Margherita Mazzera dell'Università Heriot-Watt, hanno stato in grado di dimostrare l'entanglement tra una memoria quantistica integrata in fibra e un fotone della lunghezza d'onda delle telecomunicazioni.

Una speciale memoria quantistica

Nel loro esperimento, il team ha utilizzato un cristallo drogato con praseodimio come memoria quantistica. Una guida d'onda è stata quindi scritta con il laser all'interno della memoria. Questo è un canale di dimensioni micrometriche all'interno del cristallo che confina e guida il fotone in uno spazio ristretto. Due fibre ottiche identiche sono state quindi fissate su entrambi i lati del cristallo per fornire un'interfaccia diretta tra i fotoni che trasportano informazioni quantistiche e la memoria. Questa configurazione sperimentale ha consentito una connessione tutta in fibra tra la memoria quantistica e una sorgente di fotoni.

Per dimostrare che questa memoria quantistica integrata può memorizzare l'entanglement, il team ha utilizzato una sorgente di coppie di fotoni entangled in cui un fotone è compatibile con la memoria, mentre l'altro è alla lunghezza d'onda delle telecomunicazioni. Con questa nuova configurazione, sono stati in grado di memorizzare fotoni da 2 µs fino a 28 µs e preservare l'entanglement delle coppie di fotoni dopo la conservazione. Il risultato ottenuto è un notevole miglioramento perché il tempo di conservazione dell'entanglement mostrato dal team è 1.000 volte più lungo (tre ordini di grandezza) rispetto a qualsiasi altro dispositivo precedente integrato in fibra utilizzato fino ad ora, avvicinandosi alle prestazioni osservate nelle memorie quantistiche di massa.

Ciò è stato possibile grazie alla natura completamente integrata del dispositivo, che ha consentito l'utilizzo di un sistema di controllo più sofisticato rispetto alle precedenti realizzazioni. Infine, poiché l'entanglement era condiviso tra un fotone visibile memorizzato nella memoria quantistica e uno a lunghezze d'onda di telecomunicazione, il team ha anche dimostrato che il sistema è completamente compatibile con l'infrastruttura di telecomunicazioni e adatto alla comunicazione quantistica a lunga distanza.

La dimostrazione di questo tipo di memoria quantistica integrata apre molte nuove possibilità, in particolare per quanto riguarda il multiplexing, la scalabilità e l'ulteriore integrazione. Come sottolinea Jelena Rakonjac, "questo esperimento ci ha dato grandi speranze, nel senso che immaginiamo che molte guide d'onda possano essere fabbricate in un cristallo, il che consentirebbe di immagazzinare molti fotoni contemporaneamente in una piccola regione e massimizzare le caratteristiche di capacità del memoria quantistica. Poiché il dispositivo è già accoppiato in fibra, può anche essere interfacciato più facilmente con altri componenti basati su fibra."

Hugues de Riedmatten conclude affermando che "siamo entusiasti di questo risultato che apre molte possibilità per le memorie integrate in fibra. Ciò che è chiaro è che questo particolare materiale e il modo di creare guide d'onda ci consentono di ottenere prestazioni vicine alle memorie di massa. In futuro, estendere l'archiviazione agli stati di spin consentirà il recupero su richiesta dei fotoni archiviati e porterà ai lunghi tempi di archiviazione a cui miravamo. Questa memoria quantistica integrata in fibra mostra sicuramente una grande promessa per l'uso futuro nelle reti quantistiche". + Esplora ulteriormente

I ricercatori ottengono un entanglement record di memorie quantistiche