Tuttavia, ciò non si traduce solo in un’enorme potenza di calcolo, ma anche in una vera e propria esplosione di formule quando vengono descritte matematicamente. La rappresentazione grafica astratta di questi stati complessi sotto forma di "stelle", "anelli" o "alberi", ad esempio, offre un'elegante semplificazione.

Il team di Olivier Morin del dipartimento di Gerhard Rempe, direttore dell'Istituto Max Planck di ottica quantistica di Garching, è riuscito per la prima volta a creare in un esperimento uno stato grafico ad anello e uno ad albero. Si tratta di un importante passo avanti per lo sviluppo dei computer quantistici o dell'Internet quantistica.

In una futura Internet quantistica, sulla quale Rempe indaga da tempo come pioniere, i quanti di luce potrebbero essere intrecciati per formare un messaggio quantistico molto più stabile contro le perdite. L'opera è pubblicata su Nature .

Il concetto di entanglement costituisce la base di tutte le tecnologie dell’informazione quantistica che vengono ricercate e sviluppate, che si tratti di computer quantistici o di Internet quantistico. Coppie di bit quantistici, o qubit in breve, che sono intrecciati tra loro, fungono da elemento di base.

Puoi immaginare una coppia come due luci LED collegate tra loro tramite un cavo. Collegandone sempre più insieme si possono formare catene di luci più lunghe. Le luci rappresentano i qubit, i pezzi di cavo l'intreccio tra loro. Questo permette di creare non solo catene, ma anche anelli, stelle o strutture a forma di albero.

Tuttavia, disegnando un’immagine che assomigli alle decorazioni natalizie in questa analogia può anche essere molto interessante per l’elaborazione dell’informazione quantistica, ora tornata sotto forma di qubit entangled. "Con una configurazione a scala di qubit entangled, ad esempio, è possibile costruire un computer quantistico universale", spiega Gerhard Rempe.

Il suo interesse di ricerca riguarda l'internet quantistico, in cui le informazioni quantistiche, racchiuse in fotoni entangled come "qubit volanti", vengono inviate tramite reti in fibra ottica. La sfida più grande qui è la perdita di fotoni, che aumenta esponenzialmente con la lunghezza della trasmissione.

Come antidoto sarebbe intelligente, ad esempio, sovrapporre un entanglement a forma di albero a un flusso di fotoni che volano uno dopo l’altro. "Potresti scrivere informazioni quantistiche in modo ridondante", spiega Rempe, "e anche se solo la metà dei fotoni arrivasse al ricevitore, potrebbe comunque ricreare queste informazioni."

Notazione grafica elegante per entanglement complessi

Visto dall'esterno, secondo il fisico, il flusso di fotoni assomiglierebbe sempre a un filo di perle, indipendentemente dalla forma grafica dello stato quantico dei fotoni. La rappresentazione grafica come stella, albero o anello si trova in uno spazio matematico astratto.

La fisica matematica lo ha sviluppato molti anni fa per risolvere un problema:più qubit sono intrecciati tra loro, soprattutto nelle connessioni incrociate, più gigantesche diventano le formule della meccanica quantistica che bisognerebbe scrivere.

Si tratta essenzialmente della stessa esplosione esponenziale che produce la potenza di calcolo dei bit quantistici. La rappresentazione grafica, d'altra parte, è deliziosamente semplice:i nodi simboleggiano i bit quantistici, le linee tra loro l'entanglement.

Estremamente difficile da realizzare sperimentalmente

Ciò che in teoria appare meravigliosamente elegante e semplice è, tuttavia, estremamente difficile da realizzare sperimentalmente. "Nel 2007, abbiamo immaginato per la prima volta di poter produrre stati di grafici quantomeccanici utilizzando le nostre tecniche sperimentali", afferma Rempe.

Il professore di fisica ha trascorso decenni a perfezionare un processo in cui i singoli atomi vengono intrappolati tra due specchi altamente riflettenti. Queste cavità ottiche possono essere utilizzate per affrontare varie questioni fondamentali della fisica, come ad esempio il modo in cui la luce interagisce con la materia. Una tale cavità agisce sull'atomo come due specchi tra i quali ci si può porre, vedendosi un'infinità di volte come un riflesso in un riflesso e così via.

Una volta che un atomo si illumina, cioè emette un fotone, "vede" centinaia di migliaia di atomi illuminati, immagini speculari di se stesso. Ciò costringe l'atomo a emettere il fotone esattamente nella direzione dell'asse dello specchio. Uno dei due specchi è appena permeabile, come in un laser, per cui il fotone può fuoriuscire dalla "sala degli specchi" ed essere registrato da un rilevatore.

Solo grazie a questo trucco i ricercatori sanno dove cercare il minuscolo fotone e possono quindi posizionare correttamente il rilevatore. L'atomo stesso, fluttuante in un campo di luce, può essere manipolato attraverso le estremità aperte della cavità utilizzando laser e ottiche ad alta precisione.

Qubit fisicamente separati vengono fusi in un singolo qubit logico

Nel 2007, uno studente di dottorato è riuscito per la prima volta a indurre un atomo a emettere in questo modo due fotoni entangled. Questa è stata la scintilla iniziale per Rempe. Nel 2022, il gruppo di Olivier Morin del dipartimento di Rempe ha ottenuto 12 fotoni entangled a forma di catena e 14 a forma di stella:un record mondiale.

Tuttavia, matematicamente parlando, questi erano solo stati del grafico unidimensionali, inclusa la "stella". Per arrivare agli anelli o agli alberi era necessaria una seconda dimensione, una "zona" nello spazio astratto degli stati del grafico.

Il team ha catturato due atomi di rubidio-87 nella cavità ottica e ha preparato uno stato grafico unidimensionale con entrambi gli atomi, in cui l'atomo è intrecciato con molti fotoni. Attraverso una misurazione congiunta su entrambi gli atomi, i due qubit atomici fisicamente separati vengono poi “fusi” in un unico qubit “logico”. Questo genera quindi uno stato del grafico bidimensionale.

In questo modo, ad esempio, è stato possibile fondere semplici catene di fotoni in uno stato grafico a forma di albero e generare così modelli di entanglement complessi adatti ad applicazioni sofisticate.

"Le implicazioni sono gigantesche", afferma Rempe riguardo a questa svolta dopo una maratona scientifica durata quasi un decennio. "Attualmente si sta formando un'intera nuova comunità di ricerca attorno all'argomento."