L’entanglement gioca un ruolo cruciale nella scienza dell’informazione quantistica. Può essere utilizzato in un computer quantistico in grado di eseguire numerose operazioni matematiche contemporaneamente. Per utilizzare un computer quantistico in modo efficiente, molte particelle entangled devono lavorare insieme. Sono gli elementi essenziali per i calcoli, i cosiddetti qubit.
Un team di fisici al Istituto Max Planck di Ottica Quantistica a Garching ha ora, per la prima volta, dimostrato questo compito con fotoni emessi da un singolo atomo. Potrebbero generare fino a 14 fotoni intrecciati in un risonatore ottico, che possono essere preparati in specifici stati fisici quantistici in modo mirato e molto efficiente. Il nuovo metodo potrebbe consentire la costruzione di computer quantistici potenti e robusti e garantire in futuro una trasmissione sicura dei dati.
Questa è la prima volta che la squadra ne genera fino a 14 fotoni entangled in modo definito e con alta efficienza.
Philip Thomas, uno studente di dottorato presso l'Istituto Max Planck di ottica quantistica (MPQ) di Garching vicino a Monaco, ha detto: “Il trucco di questo esperimento è stato che abbiamo usato un singolo atomo per emettere i fotoni e intrecciarli in un modo molto specifico. Per fare ciò, abbiamo posizionato un atomo di rubidio al centro di una cavità ottica – una camera di eco per le onde elettromagnetiche. Lo stato dell’atomo potrebbe essere analizzato con precisione con la luce laser di una certa frequenza. Utilizzando un ulteriore impulso di controllo, i ricercatori hanno anche innescato specificamente l’emissione di un fotone entangled con lo stato quantico dell’atomo”.
“Abbiamo ripetuto questo processo più volte e in una maniera precedentemente determinata. Nel frattempo l’atomo veniva manipolato in un certo modo – in gergo tecnico: ruotato. In questo modo è stato possibile creare una catena fino a 14 particelle leggere impigliate dalle rotazioni atomiche e portate nello stato desiderato”.
“Per quanto ne sappiamo, le 14 particelle di luce interconnesse rappresentano il maggior numero di fotoni entangled generati finora in laboratorio”.
“Poiché la catena di fotoni emerge da un singolo atomo, potrebbe essere prodotta in modo deterministico. Ciò significa che in linea di principio ogni impulso di controllo fornisce un fotone con le proprietà desiderate. Finora l'entanglement dei fotoni avveniva solitamente in cristalli speciali e non lineari. Il difetto: le particelle di luce vengono create in modo casuale e in un modo che non può essere controllato. Ciò limita anche il numero di particelle raggruppate in uno stato collettivo”.
Il metodo utilizzato dagli scienziati consente di generare un numero qualsiasi di fotoni entangled. È anche efficiente: abbiamo dimostrato un'efficienza di quasi il 50% misurando la catena di fotoni prodotta.
Thomas disse, “Ciò significa che quasi ogni seconda “pressione di un pulsante” sull’atomo di rubidio produceva una particella di luce utilizzabile – molto più di quanto fosse stato ottenuto negli esperimenti precedenti”.
Il direttore Gerhard Rempe ha detto: “Tutto sommato, il nostro lavoro rimuove un ostacolo di vecchia data sul percorso verso soluzioni scalabili e basate su misurazioni calcolo quantistico. "
I ricercatori dell'MPQ vogliono eliminare un altro ostacolo. Ad esempio, sarebbero necessari due atomi come sorgenti di fotoni nel risonatore per operazioni complesse del computer. Secondo i fisici quantistici esiste uno stato di cluster bidimensionale.
Philip Thomas ha detto: “Stiamo già lavorando per affrontare questo compito”.
Riferimento della Gazzetta:
- Thomas, P., Ruscio, L., Morin, O. et al. Generazione efficiente di stati grafici multifotoni entangled da un singolo atomo. Natura 608, 677–681 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04987-5
