Le tecnologie quantistiche stanno attualmente maturando a un ritmo mozzafiato. Queste tecnologie sfruttano i principi della meccanica quantistica in sistemi opportunamente progettati, con brillanti prospettive come l'aumento dell'efficienza computazionale o della sicurezza delle comunicazioni ben oltre ciò che è possibile con i dispositivi basati sulle tecnologie "classiche" di oggi.
Come nel caso dei dispositivi classici, tuttavia, per realizzare il loro pieno potenziale, i dispositivi quantistici devono essere collegati in rete. In linea di principio ciò è possibile utilizzando le reti in fibra ottica utilizzate per le telecomunicazioni classiche. Ma l'implementazione pratica richiede che le informazioni codificate nei sistemi quantistici possano essere archiviate in modo affidabile alle frequenze utilizzate nelle reti di telecomunicazioni, una capacità che non è stata ancora completamente dimostrata.
Scrivere in Comunicazioni sulla natura , il gruppo del Prof. Xiao-Song Ma dell'Università di Nanchino riferisce di un'archiviazione quantistica da record alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni su una piattaforma che può essere implementata in reti estese, aprendo la strada a reti quantistiche pratiche su larga scala.
Il tessuto fisico di Internet è tessuto da fibre ottiche. Le fibre di vetro che compongono queste vaste reti sono notoriamente pure. Un esempio comune è che potresti vedere chiaramente attraverso una finestra spessa un chilometro fatta di tale vetro. Tuttavia, alcune perdite sono inevitabili e i segnali ottici che viaggiano attraverso le reti di telecomunicazioni devono essere "rinfrescati" a intervalli regolari quando le distanze superano alcune centinaia di chilometri.
Per i segnali classici esistono tecniche consolidate e utilizzate di routine basate sull'amplificazione ripetuta del segnale. Per gli stati quantistici della luce, tuttavia, questi approcci utilizzati di routine purtroppo non sono adatti.
Perché la "luce quantistica" è diversa? Un ingrediente chiave che rende le tecnologie quantistiche così potenti è l’entanglement quantistico, uno stato in cui due o più quanti di luce (o fotoni) condividono tra loro correlazioni più forti di quanto sia possibile per la luce classica. Nella rigenerazione del segnale ottico convenzionale, il segnale ottico viene convertito in un segnale elettrico, che viene amplificato prima di essere riconvertito in impulsi luminosi.
Tuttavia, i fotoni entangled perderebbero le loro importantissime correlazioni quantistiche in un simile processo. Lo stesso problema si verifica con altri metodi convenzionali.
Una soluzione è utilizzare i cosiddetti ripetitori quantistici. In poche parole, i ripetitori quantistici immagazzinano il fragile stato entangled e lo trasformano in un altro stato quantistico che condivide l’entanglement con il nodo successivo lungo la linea. In altre parole, invece di amplificare il segnale, i nodi vengono “cuciti insieme”, sfruttando le loro proprietà quantistiche uniche. Al centro di tali reti di ripetitori quantistici ci sono memorie quantistiche in cui è possibile memorizzare stati quantistici di luce.
Realizzare queste memorie con un tempo di conservazione sufficientemente lungo è una sfida eccezionale, soprattutto per i fotoni alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni (cioè intorno a 1,5 µm).
Da qui l'entusiasmo perché Ming-Hao Jiang, Wenyi Xue e colleghi del gruppo di Xiao-Song Ma ora riferiscono di aver immagazzinato e recuperato lo stato entangled di due fotoni di telecomunicazioni con un tempo di immagazzinamento vicino a due microsecondi. Si tratta di un tempo quasi 400 volte più lungo di quanto dimostrato in precedenza in questo campo e, pertanto, rappresenta un passo decisivo verso dispositivi pratici.
Le memorie sviluppate da Jiang, Xue et al. sono a base di ortosilicato di ittrio (Y2 SiO5 ) cristalli drogati con ioni dell'erbio, elemento delle terre rare. Questi ioni hanno proprietà ottiche quasi perfette per l'uso nelle reti in fibra esistenti, corrispondenti alla lunghezza d'onda di circa 1,5 μm.
L’idoneità degli ioni erbio per l’immagazzinamento quantistico è nota da alcuni anni e il fatto che siano incorporati in un cristallo li rende particolarmente attraenti in vista di applicazioni su larga scala. Tuttavia, le implementazioni pratiche delle memorie quantistiche basate sugli ioni erbio si sono rivelate finora relativamente inefficienti, ostacolando ulteriori progressi verso i ripetitori quantistici.
Il gruppo di Ma ha ora compiuto progressi significativi nel perfezionamento delle tecniche e ha dimostrato che anche dopo aver immagazzinato il fotone per 1936 nanosecondi, l'entanglement della coppia di fotoni viene preservato. Ciò significa che durante questo periodo lo stato quantistico può essere manipolato, come richiesto in un ripetitore quantistico. Inoltre, i ricercatori hanno combinato la loro memoria quantistica con una nuova fonte di fotoni entangled su un chip integrato.
Questa capacità dimostrata sia di generare fotoni entangled di alta qualità alle frequenze delle telecomunicazioni sia di immagazzinare lo stato entangled, il tutto su una piattaforma a stato solido adatta per la produzione di massa a basso costo, è entusiasmante in quanto stabilisce un promettente elemento costitutivo che potrebbe essere combinato con quelli già esistenti. reti in fibra su larga scala, consentendo così un futuro Internet quantistico.
Ulteriori informazioni: Ming-Hao Jiang et al, Immagazzinamento quantistico di fotoni intrecciati alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni in un cristallo, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42741-1
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dalla Scuola di Fisica dell'Università di Nanchino
