I ricercatori del Niels Bohr Institute dell’Università di Copenaghen hanno sviluppato un nuovo modo per creare memoria quantistica:un piccolo tamburo può memorizzare i dati inviati con la luce nelle sue vibrazioni sonore, e poi inoltrarli con nuove fonti di luce quando necessario. I risultati dimostrano che la memoria meccanica per i dati quantistici potrebbe essere la strategia che apre la strada a un Internet ultra sicuro con velocità incredibili.
La ricerca è pubblicata sulla rivista Physical Review Letters .
Proprio sotto il vecchio ufficio di Niels Bohr c'è un seminterrato dove tavoli sparsi sono ricoperti di piccoli specchi, laser e un agglomerato di tutti i tipi di dispositivi collegati da ragnatele di fili e mucchi di nastro adesivo. Sembra che il progetto di un bambino sia andato troppo oltre, un progetto che i suoi genitori hanno tentato invano di convincere a ripulire.
Anche se è difficile per un occhio inesperto discernere che questi tavoli sono in realtà la sede di una serie di progetti di ricerca leader a livello mondiale, le cose importanti accadono all'interno di mondi così piccoli che non si applicano nemmeno le leggi di Newton. È qui che gli eredi della fisica quantistica di Niels Bohr stanno sviluppando le tecnologie quantistiche più all'avanguardia.
Uno di questi progetti si distingue, almeno per i fisici, per il fatto che un aggeggio visibile ad occhio nudo è in grado di raggiungere stati quantistici. Il tamburo quantistico è una piccola membrana costituita da un materiale ceramico simile al vetro con fori sparsi in uno schema ordinato lungo i bordi.
Quando il tamburo viene battuto con la luce di un laser, inizia a vibrare, e lo fa così velocemente e senza interferenze che entra in gioco la meccanica quantistica. Questa proprietà ha da tempo suscitato scalpore aprendo una serie di possibilità tecnologiche quantistiche.
Ora, una collaborazione tra varie aree quantistiche presso l’Istituto ha dimostrato che il tamburo può anche svolgere un ruolo chiave per la futura rete di computer quantistici. Come gli alchimisti moderni, i ricercatori hanno creato una nuova forma di "memoria quantistica" convertendo i segnali luminosi in vibrazioni sonore.
Nel loro articolo di ricerca appena pubblicato, i ricercatori hanno dimostrato che i dati quantistici provenienti da un computer quantistico emessi come segnali luminosi, ad esempio attraverso il tipo di cavo in fibra ottica già utilizzato per le connessioni Internet ad alta velocità, possono essere memorizzati come vibrazioni nell'atmosfera. tamburo e poi inoltrato.
Precedenti esperimenti avevano dimostrato ai ricercatori che la membrana può rimanere in uno stato quantico altrimenti fragile. Su questa base, ritengono che il tamburo dovrebbe essere in grado di ricevere e trasmettere dati quantistici senza "decohering", cioè perdendo il suo stato quantistico quando i computer quantistici saranno pronti.
"Ciò apre grandi prospettive per il giorno in cui i computer quantistici potranno davvero fare ciò che ci aspettiamo che facciano. La memoria quantistica sarà probabilmente fondamentale per inviare informazioni quantistiche a distanze. Quindi, ciò che abbiamo sviluppato è un elemento cruciale nella fondazione stessa per un'Internet del futuro con velocità e sicurezza quantistiche", afferma il postdoc Mads Bjerregaard Kristensen del Niels Bohr Institute, autore principale del nuovo articolo di ricerca.
Quando si trasferiscono informazioni tra due computer quantistici a distanza, o tra molti in un’Internet quantistica, il segnale verrà rapidamente soffocato dal rumore. La quantità di rumore in un cavo in fibra ottica aumenta in modo esponenziale quanto più lungo è il cavo. Alla fine, i dati non possono più essere decodificati.
La classica Internet e le altre principali reti informatiche risolvono questo problema di rumore amplificando i segnali in piccole stazioni lungo le rotte di trasmissione. Ma affinché i computer quantistici possano applicare un metodo analogo, devono prima tradurre i dati in normali sistemi di numeri binari, come quelli utilizzati da un normale computer.
Questo non va bene. Ciò rallenterebbe la rete e la renderebbe vulnerabile agli attacchi informatici, poiché le probabilità che la protezione dei dati classica sia efficace in un futuro di computer quantistici sono molto scarse.
"Ci auguriamo invece che il tamburo quantistico sia in grado di assumere questo compito. Si è dimostrato molto promettente in quanto è incredibilmente adatto per ricevere e inviare nuovamente segnali da un computer quantistico. Quindi, l'obiettivo è estendere la connessione tra i sistemi quantistici". computer attraverso stazioni in cui i tamburi quantistici ricevono e ritrasmettono segnali e, così facendo, evitano il rumore mantenendo i dati in uno stato quantico", afferma Kristensen.
"In tal modo, le velocità e i vantaggi dei computer quantistici, ad esempio, in relazione a determinati calcoli complessi, si estenderanno attraverso le reti e Internet, poiché saranno raggiunti sfruttando proprietà come la sovrapposizione e l'entanglement che sono esclusive degli stati quantistici."
In caso di successo, le stazioni saranno anche in grado di estendere le connessioni sicure quantistiche, i cui codici quantistici potrebbero anche essere allungati dal tamburo. Questi segnali sicuri potrebbero essere inviati su varie distanze, attorno a una rete quantistica o attraverso l'Atlantico, nell'Internet quantistica del futuro.
Altrove vengono condotte ricerche su un'alternativa in cui una sorgente luminosa che trasporta dati è diretta verso un sistema atomico e sposta temporaneamente gli elettroni nell'atomo, ma il metodo ha i suoi limiti.
"Ci sono limiti a ciò che si può fare con un sistema atomico, poiché non possiamo progettare gli atomi o la frequenza della luce in modo che possano interagire con noi stessi. Il nostro sistema meccanico relativamente "grande" offre maggiore flessibilità. Possiamo armeggiare e regolare , quindi se nuove scoperte cambiano le regole del gioco, ci sono buone probabilità che il tamburo quantistico possa essere adattato," spiega il professor Albert Schliesser, coautore dell'articolo di ricerca.
"Nel bene e nel male, sono soprattutto le nostre capacità di ricercatori a definire i limiti del funzionamento del tutto", sottolinea.
Il tamburo è l'ultima e più seria interpretazione della memoria quantistica meccanica poiché combina una serie di proprietà:il tamburo ha una bassa perdita di segnale, ovvero la forza del segnale dati è ben mantenuta. Presenta inoltre l'enorme vantaggio di essere in grado di gestire tutte le frequenze della luce, inclusa la frequenza utilizzata nei cavi luminosi in fibra ottica su cui è costruito il moderno Internet.
Il tamburo quantistico è comodo anche perché i dati possono essere archiviati e letti quando necessario. E il record di 23 millisecondi di tempo di memoria già raggiunto dai ricercatori rende molto più probabile che la tecnologia possa un giorno diventare un elemento fondamentale per i sistemi di reti quantistiche e per l'hardware dei computer quantistici.
"Abbiamo iniziato presto questa ricerca. L'informatica quantistica e la comunicazione sono ancora in una fase iniziale di sviluppo, ma con la memoria che abbiamo ottenuto, si può ipotizzare che un giorno il tamburo quantistico verrà utilizzato come una sorta di RAM quantistica, una sorta di memoria di lavoro temporanea per l'informazione quantistica. E questo sarebbe rivoluzionario," dice il professore.
Ulteriori informazioni: Mads Bjerregaard Kristensen et al, Memoria optomeccanica efficiente e di lunga durata per la luce, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.100802
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito dall'Università di Copenaghen
