La ricerca sull’informatica quantistica e sulle reti quantistiche si sta svolgendo in tutto il mondo nella speranza di sviluppare in futuro un’Internet quantistica. Un’Internet quantistica sarebbe una rete di computer quantistici, sensori e dispositivi di comunicazione che creeranno, elaboreranno e trasmetteranno stati quantistici ed entanglement e si prevede che migliorerà il sistema Internet della società e fornirà determinati servizi e sicurezza che l’Internet attuale non ha.
Un team di fisici della Stony Brook University e i loro collaboratori hanno compiuto un passo significativo verso la costruzione di un banco di prova per l’Internet quantistica dimostrando una misurazione fondamentale della rete quantistica che utilizza memorie quantistiche a temperatura ambiente. I loro risultati sono descritti in un articolo pubblicato su npj Quantum Information .
Il campo dell'informazione quantistica combina essenzialmente aspetti di fisica, matematica e informatica classica per utilizzare la meccanica quantistica per risolvere problemi complessi molto più velocemente dell'informatica classica e per trasmettere informazioni in modo inattaccabile.
Sebbene la visione di un sistema di Internet quantistico sia in crescita e il settore abbia visto un aumento di interesse da parte dei ricercatori e del pubblico in generale, accompagnato da un forte aumento del capitale investito, un vero e proprio prototipo di Internet quantistico non è stato costruito.
Secondo il gruppo di ricerca di Stony Brook, l’ostacolo chiave per raggiungere il potenziale di rendere le reti di comunicazione più sicure, i sistemi di misurazione più precisi e gli algoritmi per alcune analisi scientifiche più potenti, risiede nello sviluppo di sistemi in grado di portare informazioni quantistiche ed entanglement su molti nodi. e su lunghe distanze. Questi sistemi sono chiamati ripetitori quantistici e rappresentano una delle sfide più complesse nell'attuale ricerca fisica.
I ricercatori hanno avanzato le capacità dei ripetitori quantistici nella loro ultima sperimentazione. Hanno costruito e caratterizzato memorie quantistiche che funzionano a temperatura ambiente e hanno dimostrato che queste memorie hanno prestazioni identiche, una caratteristica essenziale quando l'obiettivo è costruire reti di ripetitori quantistici su larga scala che comprenderanno molte di queste memorie.
Hanno testato quanto queste memorie siano identiche nella loro funzionalità inviando stati quantistici identici in ciascuna delle memorie ed eseguendo un processo chiamato Interferenza Hong-Ou-Mandel sugli output delle memorie, un test standard per quantificare l'indistinguibilità delle proprietà dei fotoni. /P>
Hanno dimostrato che il processo di memorizzazione e recupero di qubit ottici nelle loro memorie quantistiche a temperatura ambiente non distorce in modo significativo il processo di interferenza congiunta e consente lo scambio di entanglement assistito dalla memoria, un protocollo per distribuire l'entanglement su lunghe distanze e la chiave per costruire operazioni quantistiche. ripetitori.
"Crediamo che questo sia un passo straordinario verso lo sviluppo di ripetitori quantistici utilizzabili e dell'Internet quantistica", afferma l'autore principale Eden Figueroa, Ph.D., Professore Presidenziale per l'Innovazione di Stony Brook e Direttore del Center for Distributed Quantum Processing, che detiene un appuntamento congiunto presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Inoltre, l’hardware quantistico sviluppato dal team funziona a temperatura ambiente, riducendo significativamente i costi operativi e rendendo il sistema molto più veloce. Gran parte della ricerca quantistica non si svolge a temperatura ambiente, ma a temperature prossime allo zero assoluto, che sono più costose, più lente e tecnicamente più difficili da mettere in rete. Pertanto, la tecnologia della temperatura ambiente è promettente per la costruzione di reti quantistiche su larga scala.
Il team non solo ha ottenuto risultati sulla memoria quantistica e sulla comunicazione a temperatura ambiente, ma ha anche brevettato il loro approccio. Hanno ricevuto brevetti statunitensi relativi all'archiviazione quantistica a temperatura ambiente e ai ripetitori quantistici ad alta velocità di ripetizione.
"Fare in modo che queste flotte di memorie quantistiche lavorino insieme a livello quantistico, e a temperatura ambiente, è qualcosa di essenziale per qualsiasi Internet quantistico su qualsiasi scala. Per quanto ne sappiamo, questa impresa non è stata dimostrata prima, e noi si aspettano di basarsi su questa ricerca", sottolinea Figueroa, sottolineando che la loro tecnologia brevettata consente loro di testare ulteriormente la rete quantistica.
I coautori Sonali Gera, ricercatrice post-dottorato, e Chase Wallace, dottorando, entrambi del Dipartimento di Fisica e Astronomia, hanno lavorato a stretto contatto con Figueroa, insieme ad altri colleghi, durante la sperimentazione che in un certo senso mira ad "amplificare" efficacemente " entanglement sulle distanze, la funzione essenziale di un ripetitore quantistico.
"Poiché le memorie sono in grado di immagazzinare fotoni con un tempo di memorizzazione definito dall'utente, siamo stati anche in grado di mostrare la sincronizzazione temporale del recupero dei fotoni nonostante i fotoni arrivino alle memorie in tempi casuali, che è un'altra caratteristica necessaria per far funzionare un quantum sistema ripetitore", spiega Gera.
Lei e Wallace aggiungono che alcuni dei prossimi passi nella ricerca del team consistono nel costruire e caratterizzare fonti di entanglement compatibili con le memorie quantistiche e nel progettare meccanismi per "annunciare" la presenza di fotoni immagazzinati in molte memorie quantistiche.
Ulteriori informazioni: Sonali Gera et al, interferenza Hong-Ou-Mandel di impulsi a livello di singolo fotone archiviati in memorie quantistiche indipendenti a temperatura ambiente, npj Quantum Information (2024). DOI:10.1038/s41534-024-00803-2
Fornito dalla Stony Brook University
