I ricercatori hanno prodotto, archiviato e recuperato per la prima volta informazioni quantistiche, un passo fondamentale nel networking quantistico.
La capacità di condividere informazioni quantistiche è fondamentale per lo sviluppo di reti quantistiche per il calcolo distribuito e la comunicazione sicura. L’informatica quantistica sarà utile per risolvere alcuni importanti tipi di problemi, come l’ottimizzazione del rischio finanziario, la decrittografia dei dati, la progettazione di molecole e lo studio delle proprietà dei materiali.
Tuttavia, questo sviluppo viene bloccato perché le informazioni quantistiche possono andare perse se trasmesse su lunghe distanze. Un modo per superare questa barriera è dividere la rete in segmenti più piccoli e collegarli tutti con uno stato quantico condiviso.
Per fare ciò è necessario un mezzo per archiviare le informazioni quantistiche e recuperarle nuovamente: ovvero un dispositivo di memoria quantistica. Questo deve 'parlare' con un altro dispositivo che consenta innanzitutto la creazione di informazioni quantistiche.
Per la prima volta, i ricercatori hanno creato un sistema che interfaccia questi due componenti chiave e utilizza normali fibre ottiche per trasmettere i dati quantistici.
L’impresa è stata raggiunta dai ricercatori dell’Imperial College di Londra, dell’Università di Southampton e delle Università di Stoccarda e Würzburg in Germania, con i risultati pubblicati su Anticipi Scienza.
La co-autrice Dr. Sarah Thomas, del Dipartimento di Fisica dell’Imperial College di Londra, ha dichiarato: “L’interfacciamento di due dispositivi chiave insieme è un passo avanti cruciale nel consentire la rete quantistica, e siamo davvero entusiasti di essere il primo team ad essere stato in grado di dimostrarlo”.
Il co-autore Lukas Wagner, dell’Università di Stoccarda, ha aggiunto: “Consentire a luoghi a lunga distanza, e persino ai computer quantistici, di connettersi è un compito fondamentale per le future reti quantistiche”.
Comunicazione a lunga distanza
Nelle normali telecomunicazioni, come Internet o le linee telefoniche, le informazioni possono andare perse su grandi distanze. Per combattere questo problema, questi sistemi utilizzano "ripetitori" in punti regolari, che leggono e riamplificano il segnale, assicurando che arrivi a destinazione intatto.
I ripetitori classici, tuttavia, non possono essere utilizzati con l’informazione quantistica, poiché qualsiasi tentativo di leggere e copiare l’informazione la distruggerebbe. Questo è un vantaggio in un certo senso, poiché le connessioni quantistiche non possono essere “sfruttate” senza distruggere le informazioni e allertare gli utenti. Tuttavia, è una sfida da affrontare per le reti quantistiche a lunga distanza.
Un modo per superare questo problema è condividere le informazioni quantistiche sotto forma di particelle di luce o fotoni entangled. I fotoni entangled condividono le proprietà in modo tale che non è possibile comprenderne l'uno senza l'altro. Per condividere l’entanglement su lunghe distanze attraverso una rete quantistica, sono necessari due dispositivi: uno per creare i fotoni entangled e uno per immagazzinarli e consentire loro di essere recuperati in seguito.
Esistono diversi dispositivi utilizzati per creare informazioni quantistiche sotto forma di fotoni entangled e per immagazzinarle, ma sia generare questi fotoni su richiesta sia avere una memoria quantistica compatibile in cui archiviarli è sfuggito ai ricercatori per molto tempo.
I fotoni hanno determinate lunghezze d'onda (che, nella luce visibile, creano colori diversi), ma i dispositivi per crearli e memorizzarli sono spesso sintonizzati per funzionare con lunghezze d'onda diverse, impedendo loro di interfacciarsi.
Per rendere l'interfaccia dei dispositivi, il team ha creato un sistema in cui entrambi i dispositivi utilizzavano la stessa lunghezza d'onda. Un "punto quantico" ha prodotto fotoni (non entangled), che sono stati poi passati a un sistema di memoria quantistica che ha immagazzinato i fotoni all'interno di una nuvola di atomi di rubidio. Un laser ha attivato e disattivato la memoria, consentendo ai fotoni di essere immagazzinati e rilasciati su richiesta.
Non solo la lunghezza d'onda di questi due dispositivi corrispondeva, ma è alla stessa lunghezza d'onda delle reti di telecomunicazioni utilizzate oggi, consentendone la trasmissione con normali cavi in fibra ottica familiari alle connessioni Internet quotidiane.
Collaborazione europea
La sorgente luminosa a punti quantici è stata creata dai ricercatori dell’Università di Stoccarda con il supporto dell’Università di Würzburg e poi portata nel Regno Unito per interfacciarsi con il dispositivo di memoria quantistica creato dal team dell’Imperial e di Southampton. Il sistema è stato assemblato in un laboratorio seminterrato dell'Imperial College di Londra.
Sebbene siano stati creati punti quantici e memorie quantistiche indipendenti che sono più efficienti del nuovo sistema, questa è la prima prova che i dispositivi possono essere realizzati per interfacciarsi alle lunghezze d’onda delle telecomunicazioni.
Il team cercherà ora di migliorare il sistema, assicurandosi che tutti i fotoni siano prodotti alla stessa lunghezza d’onda, migliorando il tempo di conservazione dei fotoni e riducendo le dimensioni dell’intero sistema.
Come prova di concetto, tuttavia, questo è un importante passo avanti, afferma il coautore Dr. Patrick Ledingham dell'Università di Southampton. “I membri della comunità quantistica tentano attivamente questo collegamento già da qualche tempo. Ciò include noi, che abbiamo già provato questo esperimento due volte con diversi dispositivi di memoria e punti quantici, risalendo a più di cinque anni fa, il che dimostra semplicemente quanto sia difficile da realizzare”.
“La svolta questa volta è stata convocare esperti per sviluppare ed eseguire ogni parte dell’esperimento con attrezzature specializzate e lavorare insieme per sincronizzare i dispositivi”.