Gli ioni entangled stabiliscono un record a lunga distanza - Physics World

Usare la luce e le fibre ottiche per inviare informazioni dal punto A al punto B è oggi una pratica standard, ma se potessimo saltare del tutto le fasi di “invio e trasporto” e leggere semplicemente le informazioni istantaneamente? Grazie all’entanglement quantistico, questa idea non è più un’opera di finzione, ma oggetto di ricerca continua. Intrecciando due particelle quantistiche come gli ioni, gli scienziati possono metterle in un fragile stato congiunto in cui la misurazione di una particella fornisce informazioni sull’altra in modi che sarebbero impossibili classicamente.

I ricercatori dell’Università di Innsbruck, in Austria, hanno ora eseguito questo complicato processo di entanglement su due ioni di calcio intrappolati in cavità ottiche distanti 230 m l’una dall’altra – equivalenti a circa due campi da calcio – e collegati tramite una fibra ottica lunga 520 m. Questa separazione rappresenta un record per gli ioni intrappolati e costituisce una pietra miliare nei sistemi di comunicazione e calcolo quantistici basati su queste particelle quantistiche.

Verso una rete quantistica

Le reti quantistiche sono la spina dorsale dei sistemi di comunicazione quantistica. Tra le loro attrattive c'è la possibilità di collegare il mondo con una potenza di calcolo e una sicurezza senza precedenti, migliorando allo stesso tempo il rilevamento di precisione e la misurazione del tempo per applicazioni che vanno dalla metrologia alla navigazione. Tali reti quantistiche sarebbero costituite da computer quantistici – i nodi – collegati tramite lo scambio di fotoni. Questo scambio può avvenire nello spazio libero, in modo simile a come la luce viaggia attraverso lo spazio dal Sole ai nostri occhi. In alternativa, i fotoni possono essere inviati attraverso fibre ottiche simili a quelle utilizzate per trasmettere dati per Internet, televisione e servizi telefonici.

I computer quantistici basati su ioni intrappolati offrono una piattaforma promettente per le reti quantistiche e la comunicazione quantistica per due motivi. Il primo è che i loro stati quantistici sono relativamente facili da controllare. L'altro è che questi stati sono resistenti alle perturbazioni esterne che possono interrompere le informazioni trasportate tra e ai nodi.

Ioni di calcio intrappolati

Nell'ultimo lavoro, i gruppi di ricerca guidati da Tracy Northup ed Ben Lanyon a Innsbruck gli ioni calcio sono stati intrappolati nelle trappole di Paul – una configurazione di campo elettrico che produce una forza sullo ione, confinandolo al centro della trappola. Gli ioni di calcio sono interessanti perché hanno una struttura elettronica semplice e sono resistenti al rumore. “Sono compatibili con la tecnologia necessaria per le reti quantistiche; e sono anche facilmente intrappolabili e raffreddati, quindi adatti per reti quantistiche scalabili”, spiega Maria Galli, uno studente di dottorato a Innsbruck che è stato coinvolto nel lavoro, descritto in Physical Review Letters.

I ricercatori hanno iniziato posizionando un singolo ione intrappolato all’interno di ciascuna delle due cavità ottiche separate. Queste cavità sono spazi tra coppie di specchi che consentono un controllo preciso e la sintonizzazione della frequenza della luce che rimbalza tra loro (vedi immagine sopra). Questo stretto controllo è cruciale per collegare, o intrappolare, l'informazione dello ione con quella del fotone.

Dopo aver intrecciato il sistema ione-fotone in ciascuna delle due cavità – i nodi della rete – i ricercatori hanno eseguito una misurazione per caratterizzare il sistema entangled. Sebbene la misurazione distrugga l’entanglement, i ricercatori hanno dovuto ripetere questo processo più volte per ottimizzare questo passaggio. I fotoni, ciascuno legato a uno degli ioni calcio, vengono poi trasmessi attraverso la fibra ottica che collega i due nodi, che si trovano in edifici separati.

Scambio di informazioni

Anche se i ricercatori avrebbero potuto trasferire i fotoni nello spazio libero, ciò avrebbe comportato il rischio di interrompere l’entanglement tra ioni e fotoni a causa di diverse fonti di rumore. Le fibre ottiche, al contrario, sono a bassa perdita e inoltre schermano i fotoni e ne preservano la polarizzazione, consentendo una separazione più lunga tra i nodi. Tuttavia, non sono ideali. “Abbiamo osservato alcune derive nella polarizzazione. Per questo motivo, ogni 20 minuti caratterizzeremmo la rotazione di polarizzazione della fibra e la correggeremo”. dice Galli.

I due fotoni si scambiano le informazioni dei rispettivi sistemi ione-fotone attraverso un processo noto come misurazione dello stato di Bell del fotone (PBSM). In questa tecnica di rilevamento selettivo dello stato, le funzioni d’onda dei fotoni si sovrappongono, creando uno schema di interferenza che può essere misurato con quattro fotorilevatori.

Leggendo i segnali misurati sui fotorilevatori, i ricercatori possono stabilire se l'informazione trasportata dai fotoni – il loro stato di polarizzazione – è identica oppure no. Coppie di risultati corrispondenti (stati di polarizzazione orizzontale o verticale) annunciano di conseguenza la generazione di entanglement tra gli ioni remoti.

Compromessi per un entanglement riuscito

I ricercatori hanno dovuto bilanciare diversi fattori per generare entanglement tra gli ioni. Uno è la finestra temporale in cui viene effettuata la misurazione congiunta finale dei fotoni. Più lunga è questa finestra temporale, maggiori sono le possibilità che i ricercatori abbiano di rilevare i fotoni, ma il compromesso è che gli ioni sono meno legati. Questo perché mirano a catturare fotoni che arrivano nello stesso momento e consentire una finestra temporale più lunga potrebbe portarli a rilevare fotoni che in realtà sono arrivati ​​in momenti diversi.

Debutta la rete quantistica a tre nodi

I ricercatori dovevano quindi verificare attentamente quanto entanglement riuscivano a ottenere in un dato intervallo di tempo. In una finestra temporale di 1 microsecondo, hanno ripetuto l’esperimento più di 13 milioni di volte, producendo 555 eventi di rilevamento. Hanno quindi misurato lo stato degli ioni su ciascun nodo in modo indipendente per verificare la correlazione, che era dell'88%. "Il nostro passaggio finale di misurazione consiste infatti nel misurare lo stato di entrambi gli ioni per verificare che esista la correlazione di stato prevista", afferma Galli. “Ciò conferma che siamo riusciti a creare un entanglement tra i due ioni”.

Dallo sprint alla maratona

Due campi da calcio possono sembrare una grande distanza su cui creare un precario stato di entanglement quantistico, ma la squadra di Innsbruck ha piani più grandi. Apportando modifiche come l’aumento della lunghezza d’onda dei fotoni utilizzati per trasmettere informazioni tra gli ioni, i ricercatori sperano di coprire una distanza molto maggiore di 50 km, più lunga di una maratona.

Mentre altri gruppi di ricerca hanno già dimostrato l’entanglement su distanze ancora più lunghe utilizzando atomi neutri, le piattaforme basate su ioni presentano alcuni vantaggi. Galli nota che la fedeltà delle porte quantistiche eseguite con ioni intrappolati è migliore di quella delle porte quantistiche eseguite sugli atomi, principalmente perché le interazioni tra ioni sono più forti e più stabili delle interazioni tra atomi e il tempo di coerenza degli ioni è molto più lungo.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/