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Giovedì, Luglio 09, 2020
Scienza e Futuro Realizzato il prototipo del primo network quantistico. Uno sguardo nel futuro

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Realizzato il prototipo del primo network quantistico. Uno sguardo nel futuro

Le tecnologie quantistiche sono il futuro dei computer, ma ci si arriverà veramente? Forse. I fisici hanno chiarito un po' meglio il cammino verso un plausibile futuro realizzando una semplice rete per lo scambio di informazioni quantistiche. E' costituita da due nodi multifunzione che possono inviare, ricevere e immagazzinare informazioni quantistiche, collegati da un cavo in fibra ottica che le trasferisce da un nodo grazie allo scambio di un singolo fotone.



Si tratta solo un prototipo, ma una volta perfezionato e prodotto su larga scala, potrebbe rappresentare la base per canali di comunicazione per l'informazione quantistica. A realizzarlo e descriverlo
su “Nature” è stato un gruppo del Max-Planck-Institut per l'Ottica quantistica (M.P.Q.) a Garching, in Germania.

I bit quantistici, o qubit, sono il cuore delle tecnologie per l'informazione quantistica. Un bit ordinario, classico, utilizzato nell'elettronica convenzionale può immagazzinare uno dei due valori 0 o 1. Ma grazie all'indeterminatezza intrinseca della meccanica quantistica, un qubit può trovarsi in uno stato di sovrapposizione degli stati 0 e 1, aumentando la complessità dell'informazione che può così essere codificata. I computer quantistici spingerebbero le prestazioni oltre l'attuale limite dei più potenti super computer classici, e i protocolli di di crittografia basati sullo scambio di qubit sarebbero sarebbero più sicuri dei metodi tradizionali.


I fisici hanno a disposizione un'ampia gamma di sistemi che possono fungere da supporto: elettroni, nuclei atomici, fotoni e così via. Nella nuova ricerca, il qubit in ciascun nodo della rete è immagazzinato nello stato quantistico interno di un singolo atomo di rubidio intrappolato in una cavità ottica riflettente. L'atomo può poi trasmettere l'informazione immagazzinata attraverso una fibra ottica emettendo un singolo fotone, il cui stato di polarizzazione conserva la memoria dello stato quantistico dell'atomo di origine; per contro, l'atomo può assorbire un fotone dalla fibra e assumere lo stato quantistico memorizzato nello stato di polarizzazione del fotone.


La prima rete quantistica universale collega due laboratori

Reti basate su singoli atomi, collegati attraverso lo scambio di singoli fotoli, potrebbero costituire le basi di reti quantistiche versatili

Poiché ciascun nodo può svolgere diverse funzioni – inviare, ricevere o immagazzinare informazione quantistica – un network basato su atomi in cavità ottiche potrebbe essere portato su larga scala semplicemente connettendo un numero maggiore di questi nodi multifunzione.

"Stiamo cercando di costruire un sistema in cui il nodo è l'elemento universale”, spiega Stephan Ritter,  coautore dello studio. “Non solo è in grado di inviare e ricevere: in linea di principio potrebbe fare tutto ciò che ci si può immaginare”.


I singoli componenti di questo sistema – atomi che scambiano informazione quantistica su singoli fotoni – erano già stati dimostrati, in realtà, ma ora le tecnologie sono sufficientemente avanzate da poter funzionare insieme. “Una volta collegati, essi ci permettono di far funzionare questa versione elementare del network quantistico”, sottolinea Ritter.


I fisici hanno proposto di utilizzare le cavità ottiche per reti quantistiche già 15 anni fa, poiché coniugano le migliori caratteristiche dei qubit atomici con le migliori dei qubit fotonici: gli atomi rimangono fermi, il che li rende un sistema ideale per la memorizzazione, mentre i fotoni si muovono velocemente, il che li rende un vettore ideale di messaggi tra nodi stazionari. Ma mettere insieme fotoni e atomi in modo che comunichino tra loro è stata una sfida.


“Se si vogliono utilizzare singoli atomi e singoli fotoni, come abbiamo fatto noi, il difficile è farli interagire”, aggiunge Ritter.


Ecco dove entra la cavità ottica. Gli specchi della cavità riflettono un fotone decine di migliaia di volte di fronte all'atomo di rubidio, incrementando le probabilità d'interazione. “Durante questo arco di tempo, c'è abbastanza tempo perché avvenga questo scambio d'informazione in modo affidabile”, afferma Ritter. “La cavità aumenta l'accoppiamento tra la radiazione e l'atomo”.


I ricercatori tedeschi hanno sottoposto il prototipo a una serie di test, trasferendo un qubit da un singolo fotone a un singolo atomo e invertendo il processo di trasferimento dell'informazione da un atomo a un fotone. Combinando queste operazioni di lettura e scrittura, i fisici sono riusciti a trasmettere un qubit da un atomo di rubidio a un altro collocato in un laboratorio a 21 metri di distanza, utilizzando un fotone messaggero come vettore tra i due nodi. (La reale lunghezza della fibra ottica che collega i due nodi è di 60 metri, poiché si dipana lungo una via indiretta.)


La prima rete quantistica universale collega due laboratori

Lungo il tragitto si perde un numero significativo di fotoni, il che limita l'efficienza del processo, ma, in linea di principio, le fibre ottiche potrebbero connettere i nodi a distanze maggiori. “Non si tratta assolutamente di un limite: questi 21 metri sono semplicemente la distanza tra i due laboratori”, spiega Ritter.

I ricercatori hanno anche dimostrato che il loro collegamento fotonico permette di stabilire un
entanglement tra i due atomi distanti. L'entanglement quantistico è un fenomeno secondo il quale due particelle condividono proprietà correlate; in altre parole, lo stato quantistico di una particella dipende dallo stato della sua “partner”.

La manipolazione di una delle due particelle, quindi, influenza lo stato dell'altra, anche se si trova in un altro laboratorio. I ricercatori sperano che l'entanglement possa essere sfruttato per aggirare le perdite fotoniche che derivano dal passaggio attraverso fibre ottiche. In un'applicazione prototipale, chiamata ripetitore quantistico, la connessione quantistica lungo la linea verrebbe estesa da una serie di nodi collegati da un entaglement, senza dover dipendere da fotoni che fungono da vettori.


Ritter riconosce che la rete è semplicemente un prototipo e che sono possibili numerosi miglioramenti. Per esempio, il trasferimento dello stato quantistico tra i laboratori si è verificato solo nello 0,2 per cento dei casi, a causa di diverse inefficienze e limitazioni tecniche. “Ogni cosa è al limite di ciò che può essere fatto”, conclude il ricercatore. “Tutte le caratteristiche sono sufficienti ad arrivare al nostro risultato, ma si può fare ancora meglio”.


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