Il campo della meccanica quantistica è sempre ricco di nuovi esperimenti, idee e progetti riguardanti la produzione di computer quantistici sempre più veloci e pratici e con un numero maggiore di qubit.

Tuttavia data la natura “randomica e strana” della meccanica quantistica si sono sempre incontrate diverse difficoltà. Ma recentemente il gruppo del Kwiat’s Lab ha utilizzato queste strane proprietà del mondo quantistico a proprio favore per risolvere problemi difficili nell’informatica e nelle comunicazioni, nonché nel rilevamento e nella misurazione di sistemi delicati.

Setup per l’esperimento Credit: scitechdaily.com

Una strada di ricerca in questo campo riguarda l’elaborazione ottica delle informazioni quantistiche attraverso i fotoni, ovvero minuscole particelle di luce che hanno proprietà quantistiche uniche.

Il fotone è la più piccola unità della luce; introdotta da Einstein nel 1905, ha segnato l’inizio della meccanica quantistica. Oggi, il fotone è proposto come una risorsa per l’informatica quantistica; le sue proprietà uniche lo rendono un candidato perfetto per il qubit.

Perché la ricerca nella scienza di informazione quantistica possa avanzare sarebbe necessaria una fonte in grado di produrre in modo efficiente e affidabile singoli fotoni. Ma dato che i processi quantistici sono intrinsecamente casuali, la creazione di una sorgente che produce singoli fotoni su richiesta rappresenta una sfida in ogni fase. E questo è stato uno dei principali motivi che ha reso impossibile inizialmente l’utilizzo di fotoni come qubit.

La più efficiente sorgente a singolo fotone del mondo

Ma ora “la più efficiente sorgente a singolo fotone del mondo” è stata realizzata dal Professore di Fisica Paul Kwiat dell’Università dell’Illinois e il collaboratore Fumihiro Kaneda. Ancora in fase di sviluppo l’apparato potrebbe generare fino a 30 fotoni con efficienza senza precedenti.

Date alcune caratteristiche dei fotoni, essi sarebbero cruciali per realizzare network quantistici. Innanzitutto si muovono rapidamente, sono perfetti per la trasmissione a lunga distanza di stati quantistici e infine mostrano fenomeni quantistici alla temperatura ordinaria della nostra vita quotidiana.

Altri candidati promettenti per qubit, come le correnti superconduttive, sono stabili solo in condizioni isolate ed estremamente fredde. Quindi lo sviluppo di sorgenti a singolo fotone su richiesta è fondamentale per la realizzazione di reti quantistiche e potrebbe consentire processori quantici a temperatura ambiente di piccole dimensioni.

Funzionamento

Ad oggi la massima efficienza di generazione di singoli fotoni utili è stata piuttosto bassa. La tecnica utilizzata prende il nome di SPDC spontaneous parametric down-conversion e si tratta di un effetto ottico non lineare che produce coppie di fotoni.

Schema di funzionamento della SPDC
Credit: research.physics.illinois.edu

In un cristallo progettato, all’interno di un impulso laser contenente miliardi di fotoni, un singolo fotone ad alta energia può essere suddiviso in una coppia di fotoni a bassa energia. È fondamentale produrre una solo coppia: uno dei due viene rilevato e quindi distrutto, mentre l’altro costituisce l’output della sorgente di fotoni.

Ma far accadere questa conversione quantica da uno a due fotoni è contro ogni previsione. La probabilità di produrre esattamente una coppia è al massimo del 25 percento.

Time Multiplexing

Il problema della bassa efficienza della SPDC è stato risolto utilizzando una tecnica chiamata Time Multiplexing. Per ogni ciclo, l’SPDC viene avviata 40 volte a intervalli regolari, producendo 40 “time-bins” ciascuno contenente possibilmente una coppia di fotoni.

Ogni volta che viene prodotta una coppia di fotoni, un fotone della coppia attiva uno switch ottico che instrada il fotone gemello in una memoria temporanea costituita da un circuito chiuso creato con specchi.

Schema di funzionamento del Time-Multiplexing
Credit: research.physics.illinois.edu

Sapendo quando il fotone è entrato nel ciclo, i ricercatori sanno esattamente quanti cicli effettuare per trattenere il fotone prima di lasciarlo uscire. In questo modo, indipendentemente da quale dei 40 impulsi abbia prodotto la coppia, il fotone immagazzinato può sempre essere rilasciato contemporaneamente. Una volta che si sono verificati tutti e 40 gli impulsi, tutti i fotoni memorizzati vengono rilasciati insieme, come se provenissero dallo stesso intervallo di tempo. L’impulso della sorgente garantisce essenzialmente che venga prodotta almeno una coppia di fotoni per ogni corsa.

Ovviamente rimangono ancora molti problemi da risolvere. Infatti la natura randomica del processo di conversione verso il basso può portare alla produzione di più coppie di fotoni anziché una, e se la sorgente produce due o più fotoni non siamo più in grado di produrre i qubit. Tuttavia tenendo conto di questa possibilità, l’efficienza di questo esperimento è un record mondiale.

Ma qual è il prossimo passo?

Colin Lualdi, un attuale studente laureato che lavora nel gruppo di ricerca di Kwiat, sta lavorando al potenziamento della sorgente in modo da risolvere il problema dei multifotoni.

L’obiettivo finale è quello di essere in grado di preparare singoli stati quantici puri che possiamo usare per codificare ed elaborare le informazioni in modi che superano gli approcci classici. Ecco perché è così imperativo che queste fonti producano singoli fotoni. Se la fonte genera inaspettatamente due fotoni invece di uno, allora non abbiamo il blocco base di cui abbiamo bisogno.

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