Negli ultimi decenni, fisici e ingegneri quantistici hanno cercato di sviluppare sistemi di comunicazione quantistica nuovi e affidabili. Questi sistemi potrebbero infine fungere da banco di prova per valutare e far avanzare i protocolli di comunicazione.
I ricercatori dell’Università di Chicago hanno recentemente introdotto un nuovo banco di prova di comunicazione quantistica con nodi superconduttori remoti e hanno dimostrato la comunicazione multifotone bidirezionale su questo banco di prova. Il loro articolo, pubblicato in Physical Review Letters , potrebbe aprire una nuova strada verso la realizzazione della comunicazione efficiente di stati quantistici complessi nei circuiti superconduttori.
"Stiamo sviluppando qubit superconduttori per il calcolo quantistico modulare e come banco di prova per la comunicazione quantistica", ha detto a Phys.org Andrew Cleland, coautore dell'articolo. "Entrambi si basano sulla capacità di comunicare stati quantistici in modo coerente tra 'nodi' qubit collegati tra loro con una rete di comunicazione sparsa, in genere una singola linea di trasmissione fisica."
Il recente studio dei ricercatori si basa su due precedenti documenti di ricerca pubblicati su Nature Physics e Natura . In questi lavori precedenti, il team ha dimostrato di poter generare entanglement remoto e inviare stati quantistici complessi, l'ultimo dei quali un qubit alla volta.
"Nel nostro nuovo studio, volevamo provare a inviare stati quantistici complessi che rappresentano più qubit contemporaneamente", ha affermato Cleland. "Per fare ciò, abbiamo caricato lo stato quantico da inviare a un risonatore e quindi abbiamo inviato l'intero stato del risonatore nella linea di trasmissione, catturandolo con un risonatore remoto per la successiva analisi."
I risonatori, dispositivi che presentano risonanza elettrica, hanno un numero nominalmente infinito di livelli quantici. Di conseguenza, sono teoricamente in grado di memorizzare stati molto complessi che codificano dati di diversi qubit. A causa di queste caratteristiche vantaggiose, l'utilizzo di risonatori per inviare e ricevere dati potrebbe aumentare la larghezza di banda disponibile.
Nel loro esperimento, Cleland e i suoi colleghi hanno utilizzato due qubit superconduttori, ciascuno dei quali era collegato a un risonatore superconduttore sintonizzabile. Ciascuno di questi risonatori era, a sua volta, collegato ad una linea di trasmissione lunga 2 metri tramite un dispositivo noto come accoppiatore variabile.
"Utilizziamo un qubit superconduttore per 'programmare' in diversi stati quantistici il suo risonatore compagno, utilizzando metodi che abbiamo stabilito molti anni fa", ha affermato Cleland.
"Attiviamo quindi l'accoppiamento del risonatore alla linea di trasmissione, rilasciando lo stato quantico (possibilmente complesso) dal risonatore alla linea di trasmissione, dove viene trasmesso come un insieme (possibilmente complesso) di fotoni mobili entangled. Questi vengono poi 'catturato' dall'altro risonatore utilizzando il processo inverso di rilascio e utilizziamo il qubit di quel risonatore per analizzare lo stato ricevuto. Il sistema può trasmettere ugualmente bene in entrambe le direzioni (quindi 'bidirezionale')."
Il progetto implementato dai ricercatori ha permesso loro di realizzare la trasmissione bidirezionale di singoli fotoni a frequenza di microonde, nonché la trasmissione simultanea di uno stato Fock a due fotoni |2> in una direzione con la trasmissione di uno stato Fock a un fotone |1> nell'altra direzione, così come la trasmissione (separata) degli stati di Fock del fotone sovrapposto |0>+|1> e |0>+|2>.
"Abbiamo poi mostrato la generazione dei cosiddetti stati N00N, che rappresentano l'entanglement tra i due risonatori, realizzando infine prima la generazione dello stato entangled |10>+|01> con un fotone 'condiviso' tra i due risonatori, poi la generazione dello stato |20>+|02>, con due fotoni 'condivisi' allo stesso modo," ha detto Cleland.
"Nel complesso, il nostro lavoro dimostra un percorso fattibile verso una comunicazione altamente efficiente di stati quantistici più complessi rispetto ai semplici fotoni tra due nodi."
Il nuovo banco di prova della comunicazione quantistica introdotto da Cleland e dai suoi colleghi potrebbe presto aprire la strada a ulteriori lavori e progressi. In primo luogo, potrebbe essere utilizzato per realizzare il calcolo distribuito, in cui ogni nodo di un circuito esegue calcoli e comunica in modo efficiente i risultati a un altro nodo. Inoltre, potrebbe essere utilizzato per dimostrare sistemi in cui due nodi condividono uno stato complesso e ciascuno esegue manipolazioni distinte su questo stato.
"La nostra piattaforma potrebbe essere utilizzata anche per la comunicazione quantistica, dove, ad esempio, informazioni quantistiche codificate di una certa complessità potrebbero essere trasmesse in un unico trasferimento", ha aggiunto Cleland.
"Stiamo ora lavorando su diversi aspetti di questo esperimento; ad esempio, abbiamo intenzione di aumentare il numero di nodi (che erano due nel nostro recente esperimento), aumentare la fedeltà del processo ed esplorare cosa è possibile se avere più canali di comunicazione in parallelo."
Ulteriori informazioni: Joel Grebel et al, Comunicazione multifotonica bidirezionale tra nodi superconduttori remoti, lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.047001. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2310.00124
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