I ricercatori hanno prodotto, archiviato e recuperato per la prima volta informazioni quantistiche, un passo fondamentale nel networking quantistico.
La capacità di condividere informazioni quantistiche è fondamentale per lo sviluppo di reti quantistiche per il calcolo distribuito e la comunicazione sicura. L'informatica quantistica sarà utile per risolvere alcuni importanti tipi di problemi, come l'ottimizzazione del rischio finanziario, la decrittografia dei dati, la progettazione di molecole e lo studio delle proprietà dei materiali.
Tuttavia, questo sviluppo viene bloccato perché le informazioni quantistiche possono andare perse se trasmesse su lunghe distanze. Un modo per superare questa barriera è dividere la rete in segmenti più piccoli e collegarli tutti con uno stato quantico condiviso.
Per fare ciò è necessario un mezzo per archiviare le informazioni quantistiche e recuperarle nuovamente:ovvero un dispositivo di memoria quantistica. Questo deve 'parlare' con un altro dispositivo che consenta innanzitutto la creazione di informazioni quantistiche.
Per la prima volta, i ricercatori hanno creato un sistema di questo tipo che interfaccia questi due componenti chiave e utilizza normali fibre ottiche per trasmettere i dati quantistici.
L'impresa è stata raggiunta dai ricercatori dell'Imperial College di Londra, dell'Università di Southampton e delle Università di Stoccarda e Würzburg in Germania, con i risultati pubblicati su Science Advances .
La co-autrice Dr. Sarah Thomas, del Dipartimento di fisica dell'Imperial College di Londra, ha dichiarato:"L'interfacciamento di due dispositivi chiave insieme è un passo avanti cruciale nel consentire la creazione di reti quantistiche e siamo davvero entusiasti di essere il primo team ad essere stato in grado di dimostrarlo."
Il co-autore Lukas Wagner, dell'Università di Stoccarda, ha aggiunto:"Consentire a luoghi a lunga distanza, e persino ai computer quantistici, di connettersi è un compito fondamentale per le future reti quantistiche."
Nelle normali telecomunicazioni, come Internet o le linee telefoniche, le informazioni possono andare perse su grandi distanze. Per contrastare questo problema, questi sistemi utilizzano "ripetitori" in punti regolari, che leggono e riamplificano il segnale, garantendo che arrivi a destinazione intatto.
I ripetitori classici, tuttavia, non possono essere utilizzati con l’informazione quantistica, poiché qualsiasi tentativo di leggere e copiare l’informazione la distruggerebbe. Questo è un vantaggio in un certo senso, poiché le connessioni quantistiche non possono essere “sfruttate” senza distruggere le informazioni e allertare gli utenti. Tuttavia, è una sfida da affrontare per le reti quantistiche a lunga distanza.
Un modo per superare questo problema è condividere le informazioni quantistiche sotto forma di particelle di luce o fotoni entangled. I fotoni entangled condividono le proprietà in modo tale che non è possibile comprenderne l'uno senza l'altro. Per condividere l'entanglement su lunghe distanze attraverso una rete quantistica, sono necessari due dispositivi:uno per creare i fotoni entangled e uno per immagazzinarli e consentirne il recupero successivo.
Esistono diversi dispositivi utilizzati per creare informazioni quantistiche sotto forma di fotoni entangled e per immagazzinarle, ma sia generare questi fotoni su richiesta sia avere una memoria quantistica compatibile in cui archiviarli è sfuggito ai ricercatori per molto tempo.
I fotoni hanno determinate lunghezze d'onda (che, nella luce visibile, creano colori diversi), ma i dispositivi per crearli e memorizzarli sono spesso sintonizzati per funzionare con lunghezze d'onda diverse, impedendo loro di interfacciarsi.
Per rendere l'interfaccia dei dispositivi, il team ha creato un sistema in cui entrambi i dispositivi utilizzavano la stessa lunghezza d'onda. Un "punto quantico" ha prodotto fotoni (non entangled), che sono stati poi passati a un sistema di memoria quantistica che ha immagazzinato i fotoni all'interno di una nuvola di atomi di rubidio. Un laser accendeva e spegneva la memoria, consentendo ai fotoni di essere immagazzinati e rilasciati su richiesta.
Non solo la lunghezza d'onda di questi due dispositivi corrispondeva, ma è della stessa lunghezza d'onda delle reti di telecomunicazioni utilizzate oggi, consentendone la trasmissione con normali cavi in fibra ottica familiari alle connessioni Internet quotidiane.
La sorgente luminosa a punti quantici è stata creata dai ricercatori dell’Università di Stoccarda con il supporto dell’Università di Würzburg e poi portata nel Regno Unito per interfacciarsi con il dispositivo di memoria quantistica creato dal team dell’Imperial e di Southampton. Il sistema è stato assemblato in un laboratorio seminterrato dell'Imperial College di Londra.
Sebbene siano stati creati punti quantici e memorie quantistiche indipendenti che sono più efficienti del nuovo sistema, questa è la prima prova che i dispositivi possono essere realizzati per interfacciarsi alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni.
Il team ora cercherà di migliorare il sistema, assicurandosi che tutti i fotoni siano prodotti alla stessa lunghezza d'onda, migliorando il tempo di conservazione dei fotoni e rendendo l'intero sistema più piccolo.
Come prova di concetto, tuttavia, questo è un importante passo avanti, afferma il coautore Dr. Patrick Ledingham dell'Università di Southampton. "I membri della comunità quantistica stanno tentando attivamente questo collegamento da qualche tempo. Tra questi ci siamo noi, che abbiamo già provato questo esperimento due volte con diversi dispositivi di memoria e punti quantici, risalendo a più di cinque anni fa, il che dimostra quanto sia difficile da realizzare." ."
"Questa volta la svolta è stata convocare esperti per sviluppare ed eseguire ogni parte dell'esperimento con attrezzature specializzate e lavorare insieme per sincronizzare i dispositivi."
Ulteriori informazioni: Sarah E. Thomas et al, Archiviazione deterministica e recupero della luce delle telecomunicazioni da una sorgente a fotone singolo a punti quantici interfacciata con una memoria quantistica atomica, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi7346
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dall'Imperial College London
