Nella ricerca per costruire un Internet quantistico, gli scienziati stanno mettendo alla prova i loro ricordi. Memorie quantistiche, cioè.
Le memorie quantistiche sono dispositivi che memorizzano informazioni fragili nel regno del molto piccolo. Sono un componente essenziale per la visione degli scienziati delle reti quantistiche che potrebbero consentire nuovi tipi di comunicazione, dalla messaggistica ultra-sicura al collegamento di computer quantistici lontani (SN: 28/6/23). Tali memorie aiuterebbero gli scienziati a stabilire connessioni quantistiche, o entanglement, in tutta una rete (SN: 2/12/20).
Ora, due team di scienziati hanno inserito le memorie quantistiche in reti annidate nelle città, dove il trambusto della vita urbana può rappresentare una sfida per le comunicazioni quantistiche.
“Questi due studi impressionanti stanno uscendo dal laboratorio e stanno entrando in implementazioni nel mondo reale”, afferma il fisico Benjamin Sussman dell’Università di Ottawa, che non è stato coinvolto nella ricerca. “Questi non sono solo sistemi giocattolo, ma sono davvero i primi passi verso come saranno le reti future”.
In una rete di due memorie quantistiche collegate da un collegamento in fibra per le telecomunicazioni che ha attraversato un anello di 35 chilometri attraverso Boston e Cambridge, nel Massachusetts, gli scienziati hanno mantenuto l’entanglement per circa un secondo, riferiscono il fisico Can Knaut e colleghi su Nature il 16 maggio. “Non sembra molto per noi, ma nel dominio della quantistica, dove … tutto è più fugace, un secondo è in realtà un tempo davvero lungo”, dice Knaut, dell’Università di Harvard.
I ricercatori hanno utilizzato memorie quantistiche costruite da un minuscolo pezzo di diamante in cui due dei normali atomi di carbonio del diamante sono sostituiti da un atomo di silicio. Tale sostituzione crea un difetto che funge da bit quantistico, o qubit. In effetti, il difetto funge da due qubit: uno di breve durata e un altro qubit di lunga durata che funge da memoria. Gli scienziati hanno pungolato il qubit di breve durata con un fotone, o particella di luce. I ricercatori hanno usato quel qubit come intermediario per intrappolare il qubit di lunga durata con il fotone. Quindi gli scienziati hanno inviato il fotone attraverso la fibra e hanno ripetuto il processo per intrappolare i qubit di lunga durata in ogni memoria.
Nel frattempo, a Hefei, in Cina, l’entanglement è stato raggiunto in una rete con tre memorie quantistiche separate da collegamenti in fibra di circa 20 chilometri, riferiscono i ricercatori nello stesso numero di Nature.
La memoria quantistica di questo team si basava su un grande insieme di atomi di rubidio di circa 1 millimetro di diametro. Quando viene colpito da un laser, l’insieme degli atomi può emettere un fotone. Piuttosto che trasportare il fotone direttamente in un’altra memoria quantistica, il fotone è stato inviato a una stazione centrale, dove è stato misurato insieme a un fotone inviato da un’altra memoria. Ciò ha generato un entanglement tra le due parti distanti della rete.
Incontrarsi nel mezzo significava che i fotoni non dovevano viaggiare fino all’altro lato della rete, un ulteriore vantaggio. “Questo schema è piuttosto efficiente, ma la sua realizzazione sperimentale è piuttosto impegnativa”, afferma il fisico sperimentale Xiao-Hui Bao dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina a Hefei. La tecnica ha richiesto al team di trovare metodi per correggere i cambiamenti nella lunghezza delle fibre dovuti a sbalzi di temperatura e altri effetti che potrebbero causare problemi. Questo sforzo scrupoloso è chiamato stabilizzazione di fase. “Questo è il principale progresso tecnologico che abbiamo fatto in questo documento”, afferma Bao.
Al contrario, la rete di Boston non aveva una stazione centrale e non richiedeva la stabilizzazione di fase. Ma entrambe le squadre hanno raggiunto quello che viene chiamato entanglement “annunciato”. Ciò significa che viene inviato un segnale per confermare che l’entanglement è stato stabilito, il che richiede che l’entanglement persista abbastanza a lungo da consentire alle informazioni di farsi strada attraverso la rete. Questa conferma è importante per l’utilizzo di tali reti per applicazioni pratiche, afferma il fisico Wolfgang Tittel, che non è stato coinvolto in nessuno dei due studi.
“Se si confronta… come questi due diversi gruppi abbiano raggiunto [l’entanglement annunciato], si vede che ci sono più differenze che somiglianze, e lo trovo fantastico”, dice Tittel, dell’Università di Ginevra. “Ci sono diversi approcci che sono ancora molto, molto promettenti”.
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Una versione di questo articolo è apparsa nel numero del 15 giugno 2024 di Science News.
Citazioni
C.M. Knaut et al. Entanglement di nodi di memoria quantistica nanofotonica in una rete di telecomunicazioni. Natura. Vol. 629, 16 maggio 2024, p. 573. DOI: 10.1038/S41586-024-07252-Z.
J.-L. Liu et al. Creazione di entanglement memoria-memoria in una rete quantistica metropolitana. Natura. Vol. 629, 16 maggio 2024, p. 579. DOI: 10.1038/S41586-024-07308-0.