Gli oggetti quantistici, come elettroni e fotoni, si comportano diversamente dagli altri oggetti in modi che consentono la tecnologia quantistica. Qui sta la chiave per svelare il mistero dell'entanglement quantistico, in cui più fotoni esistono in più modalità o frequenze.
Nel perseguire le tecnologie quantistiche fotoniche, studi precedenti hanno stabilito l’utilità degli stati di Fock. Si tratta di stati multifotonici e multimodali resi possibili combinando abilmente una serie di input di un fotone utilizzando la cosiddetta ottica lineare. Tuttavia, alcuni stati quantistici essenziali e preziosi richiedono qualcosa di più di questo approccio fotone per fotone.
Ora, un team di ricercatori dell’Università di Kyoto e dell’Università di Hiroshima ha confermato teoricamente e sperimentalmente i vantaggi unici degli stati non Fock – o iNFS – stati quantistici complessi che richiedono più di una singola sorgente di fotoni ed elementi ottici lineari. Lo studio è pubblicato sulla rivista Science Advances .
"Abbiamo confermato con successo l'esistenza di iNFS utilizzando un circuito quantistico ottico con più fotoni", afferma l'autore corrispondente Shigeki Takeuchi della Graduate School of Engineering.
"Il nostro studio porterà a scoperte rivoluzionarie in applicazioni come i computer quantistici ottici e il rilevamento quantistico ottico", aggiunge il coautore Geobae Park.
Il fotone è un vettore promettente perché può essere trasmesso su lunghe distanze preservando il suo stato quantico a temperatura ambiente costante. Sfruttando molti fotoni in più modalità si realizzerebbero la crittografia quantistica ottica a lunga distanza, il rilevamento quantistico ottico e il calcolo quantistico ottico.
"Abbiamo generato scrupolosamente un tipo complesso di iNFS utilizzando il nostro circuito quantistico fotonico in trasformata di Fourier per manifestare due fotoni in tre percorsi diversi, che è il fenomeno di coerenza condizionale più impegnativo da ottenere", spiega il coautore Ryo Okamoto.
Inoltre, questo studio ha confrontato un altro fenomeno con l’entanglement quantistico ampiamente applicato, che appare e scompare semplicemente attraversando un singolo elemento ottico lineare. L'entanglement quantistico è uno stato quantistico con due o più stati correlati in una sovrapposizione tra due sistemi separati.
"Sorprendentemente, questo studio dimostra che le proprietà iNFS non cambiano quando passano attraverso una rete di molti elementi ottici lineari, segnando un salto nella tecnologia quantistica ottica", osserva il coautore Holger F Hofmann dell'Università di Hiroshima.
Il team di Takeuchi presuppone che iNFS presenti coerenza condizionale, un fenomeno alquanto misterioso, in cui il rilevamento anche di un solo fotone indica l'esistenza dei fotoni rimanenti in una sovrapposizione di percorsi multipli.
"La nostra prossima fase è la realizzazione di multifotoni, stati multimodali e chip di circuiti quantistici ottici su larga scala", annuncia Takeuchi.
Ulteriori informazioni: Geobae Park et al, Realizzazione di correlazioni fotoniche oltre il limite dell'ottica lineare, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj8146
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dall'Università di Kyoto
