Un atomo di terre rare può creare un ripetitore quantistico alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni – Physics World

Un atomo di terre rare può creare un ripetitore quantistico alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni – Physics World

Timestamp: 13 settembre 2023 3:24

Immagine del dispositivo ad erbio, che è un chip grigio contenente una griglia di fori e due canali a forma di nastro
Compatibile con le telecomunicazioni: un'immagine del dispositivo utilizzato nell'esperimento. (Per gentile concessione di Lukasz Dusanowski)

I ricercatori dell’Università di Princeton negli Stati Uniti hanno compiuto un passo fondamentale verso la realizzazione di reti quantistiche scalabili grazie a un elemento delle terre rare: l’erbio. L'erbio è efficace nell'emettere e assorbire fotoni alle lunghezze d'onda utilizzate nell'industria delle telecomunicazioni, il che è un vantaggio perché questi fotoni possono percorrere lunghe distanze con poca attenuazione nelle fibre ottiche standard. Sfruttare questa forza nel regno quantistico è stata una sfida, ma il team di Princeton è riuscito a convincere un dispositivo basato sull’erbio a emettere fotoni identici, un prerequisito affinché i ripetitori quantistici condividano informazioni quantistiche su grandi distanze.

"Le fibre drogate con erbio vengono utilizzate come ripetitori classici per realizzare amplificatori in fibra classici per tutti i tipi di collegamenti di comunicazione ottica, come i cavi sottomarini a lungo raggio", afferma Jeff Thompson, professore di ingegneria elettrica e informatica a Princeton e ricercatore principale del lavoro. “Quindi, per me, è stato molto naturale provare a inventarne una versione quantistica”.

Vantaggioso, ma difficile da lavorare

I fotoni possono essere portatori naturali di informazioni, ma sono difficili da trattenere e raramente interagiscono tra loro. Ciò significa che se un fotone viene perso o le informazioni in esso codificate si degradano, altri fotoni non possono venire in soccorso. Invece, le informazioni quantistiche devono essere archiviate in un qualche tipo di memoria, in questo caso in un atomo. "Un ripetitore quantistico è in realtà solo un modo per mappare le informazioni quantistiche avanti e indietro tra la luce e gli atomi", spiega Elisabetta Goldschmidt, professore di ottica quantistica presso l'Università dell'Illinois-Urbana Champaign, negli Stati Uniti, che non è stato coinvolto nel lavoro.

Nelle reti quantistiche basate su ripetitori, l’idea è quella di stabilire un entanglement tra due punti distanti dividendo tale distanza in blocchi. Il modo in cui funziona è che un ripetitore quantistico a un'estremità del canale a lunga distanza emette un fotone e, nel processo, rimane impigliato con esso. Anche un altro ripetitore a breve distanza lungo il canale emette un fotone nella direzione del primo. Quando i due fotoni si incontrano, vengono misurati in modo tale da renderli intrappolati. Finché i fotoni rimangono impigliati con i rispettivi emettitori, anche gli emettitori rimangono impigliati. Continuando questo processo lungo la catena, alla fine i due emettitori alle estremità opposte del canale si aggrovigliano. Quindi possono essere utilizzate come chiavi condivise in uno schema di distribuzione di chiavi quantistiche, oppure possono condividere un po’ di informazioni quantistiche tramite un protocollo di teletrasporto quantistico.

Ripeti dopo di me

Altre tecnologie di ripetitori quantistici sono state sviluppate utilizzando vari atomi o difetti nel diamante. Tuttavia, questi sistemi generalmente emettono fotoni a frequenze vicine al visibile, che si attenuano rapidamente nelle fibre ottiche. Per funzionare in modo ottimale, richiedono la conversione di frequenza, che è complessa e può essere costosa. Un ripetitore che emetta automaticamente la luce del colore desiderato semplificherebbe notevolmente il processo.

Per far sì che un atomo di erbio funzioni come un ripetitore quantistico, due cose principali devono andare bene. Innanzitutto, l’atomo deve emettere fotoni abbastanza velocemente da rendere pratico lo schema. In secondo luogo, il fotone emesso deve preservare le sue proprietà quantistiche e rimanere impigliato con l’atomo che lo ha emesso nonostante le interruzioni – una proprietà nota come coerenza.

Sfortunatamente, gli atomi di erbio in natura emettono fotoni della banda delle telecomunicazioni solo molto raramente. Per aumentare il tasso di emissione dell'erbio fino al colore desiderato, il team ha posizionato l'atomo all'interno di un cristallo, a pochi nanometri di distanza dalla superficie. In cima a questo cristallo, hanno posizionato una cavità, che è un dispositivo nanofotonico al silicio progettato per intrappolare la luce alla precisa lunghezza d'onda emessa dall'erbio. Mediante l'atomo di erbio in questa cavità, i ricercatori di Princeton lo hanno convinto a emettere fotoni di telecomunicazione quasi 1000 volte più frequentemente di quanto farebbe altrimenti.

Scegliere saggiamente

Per preservare la coerenza quantistica dei fotoni abbastanza a lungo da trasmettere l'entanglement, Thompson e colleghi hanno dovuto scegliere con molta attenzione il materiale cristallino. Tra migliaia di possibilità iniziali, ne hanno provate circa 20 in laboratorio prima di optare per il tungstato di calcio, che ha portato la coerenza dei fotoni emessi abbastanza alta da consentire loro di partecipare all'interferenza quantistica tra loro. Questa interferenza quantistica è necessaria per la fase di misurazione dell’entanglement dei fotoni nell’architettura del ripetitore quantistico.

Il prossimo passo, che secondo i ricercatori di Princeton è a portata di mano, è dimostrare l'entanglement tra fotoni emessi da diversi atomi di erbio. Successivamente, si tratta di collegare insieme i ripetitori a catena per formare un canale di comunicazione quantistica. I ricercatori ritengono che questa tecnologia dovrebbe essere facilmente scalabile poiché sfrutta il maturo settore della fotonica del silicio. "Penso che questa sia una cosa molto nuova e importante", afferma Goldschmidt. “Gli atomi delle terre rare possono conservare gran parte dell’eccellente coerenza che si ottiene con gli atomi o gli ioni nel vuoto, pur essendo altamente ingegnerizzabili e compatibili con l’integrazione dei dispositivi, come mostrato così chiaramente in questo lavoro”.

La ricerca è descritta in Natura.

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