I fotoni a microonde sono entangled con i fotoni ottici – Physics World

Ricercatori in Austria hanno dimostrato un protocollo per l'intreccio di microonde e fotoni ottici. Questo ha il potenziale per aiutare a superare uno dei problemi centrali nella formazione di un Internet quantistico consentendo ai circuiti di frequenza a microonde di scambiare informazioni quantistiche attraverso le fibre ottiche.

La visione centrale alla base di un Internet quantistico, articolata per la prima volta nel 2008 da Jeff Kimble di Caltech negli Stati Uniti – è che i processori quantistici in rete potrebbero scambiare informazioni quantistiche, proprio come i computer classici scambiano informazioni classiche via Internet. Il trasferimento di informazioni quantistiche è molto più difficile, tuttavia, perché il rumore di fondo può distruggere le sovrapposizioni quantistiche in un processo chiamato decoerenza.

Molti dei più potenti computer quantistici esistenti, come Osprey di IBM, utilizzano qubit superconduttori. Questi funzionano alle frequenze delle microonde, il che li rende estremamente vulnerabili alle interruzioni dovute alla radiazione termica di fondo e spiega perché devono essere mantenuti a temperature criogeniche. Inoltre, rende estremamente difficile il trasferimento di informazioni tra qubit superconduttori. "[Un modo] è costruire collegamenti ultrafreddi", spiega Johann Fink dell'Institute for Science and Technology Austria di Klosterneuburg. “Il record era giusto pubblicato nella Natura [di Il gruppo di Andreas Wallraff all'ETH di Zurigo in Svizzera e colleghi]: 30 m a 10–50 mK – che presenta alcune sfide per il ridimensionamento. Al contrario, dice, “la fibra ottica funziona davvero bene per la comunicazione – la usiamo sempre quando navighiamo in Internet”.

Trasduzione quantistica

Uno schema in base al quale le informazioni quantistiche potrebbero essere trasferite tra qubit a microonde inviando fotoni lungo le fibre ottiche sarebbe quindi estremamente prezioso. L'approccio più diretto è la trasduzione quantistica, in cui, mediante l'interazione con un terzo fotone, un fotone a microonde viene convertito in un fotone ottico che può essere inviato lungo le fibre.

Sfortunatamente, le implementazioni pratiche di questo processo introducono anche perdita e rumore: "Invii dieci fotoni e forse solo uno di essi viene convertito... e forse il tuo dispositivo aggiunge alcuni fotoni in più perché faceva caldo o per qualche altro motivo", afferma il PhD di Fink alunno Rishabh Sahu, che è il primo autore congiunto di un documento che descrive questa ultima ricerca. "Entrambi riducono la fedeltà della trasduzione".

Un modo alternativo per trasferire informazioni quantistiche è chiamato teletrasporto quantistico ed è stato dimostrato sperimentalmente per la prima volta nel 1997 dal gruppo di Anton Zeilinger dell'Università di Innsbruck, per il quale Zeilinger ha condiviso la Premio Nobel 2022 per la Fisica. Quando un qubit interagisce con un fotone in una coppia entangled, il suo stesso stato quantico viene entangled con il secondo fotone.

Scambio di entanglement

Una rete quantistica potrebbe essere prodotta in condizioni ambientali se questo secondo fotone potesse viaggiare lungo una fibra ottica a bassa perdita per interagire con un fotone di trasmissione preparato in modo identico da un secondo nodo di rete attraverso una cosiddetta misurazione dello stato di Bell. Ciò eseguirebbe uno "scambio di entanglement" tra i qubit superconduttori remoti.

Le coppie di fotoni entangled sono generate da un processo chiamato down-conversion parametrico spontaneo, per cui un fotone si divide in due. Tuttavia, nessuno era riuscito in precedenza a generare una coppia di fotoni entangled la cui energia differiva di un fattore superiore a 10,000. Questa differenza comprende un fotone a una lunghezza d'onda delle telecomunicazioni ottiche di circa 1550 nm; e un altro alla lunghezza d'onda delle microonde di circa 3 cm.

Il gruppo di Fink ha pompato un risonatore ottico in niobato di litio che faceva parte di un risonatore a microonde con un laser ad alta potenza alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni. La stragrande maggioranza della luce laser è semplicemente uscita dal risonatore invariata ed è stata filtrata. Tuttavia, circa un fotone per impulso si divide in due fotoni entangled: uno a microonde e l'altro a una lunghezza d'onda leggermente più lunga dei fotoni della pompa.

La sorgente luminosa entangled è completamente su chip

“Abbiamo verificato questo entanglement misurando le covarianze delle due fluttuazioni del campo elettromagnetico. Abbiamo trovato correlazioni microonde-ottiche che sono più forti di quanto classicamente consentito, il che significa che i due campi sono in uno stato entangled». dice Liu Qiu, un ricercatore post-dottorato e primo autore congiunto dell'articolo che descrive il lavoro. I ricercatori ora sperano di estendere questo entanglement ai qubit e alle fibre a temperatura ambiente, implementare il teletrasporto quantistico e entangle i qubit in frigoriferi a diluizione separati.

Alessandro Blais dell'Université de Sherbrooke in Canada ha collaborato a Wallraff's Natura paper ed è impressionato dal lavoro di Fink e del suo collega: “Normalmente l'ottica e le microonde non parlano tra loro. L'ottica è davvero ad alta energia e tende a rovinare le proprietà di coerenza quantistica dei circuiti a microonde. Ora [i ricercatori] hanno fotoni fissi: se voglio trasferire quell'informazione in un altro frigorifero, devo trasferire quell'informazione in un fotone volante in una fibra ottica, e lì ci sarà una perdita. E quel fotone deve poi viaggiare lungo quella fibra, entrare nel secondo frigorifero e fare qualche magia... Non dovremmo pensare che questo renda tutto facile ora - è solo l'inizio, ma questo non toglie nulla alla qualità dell'esperimento. "

La ricerca è descritta in Scienze.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/microwave-photons-are-entangled-with-optical-photons/