L'alba delle reti quantistiche a stato solido: i ricercatori hanno dimostrato un'interferenza quantistica ad alta visibilità tra due punti quantici semiconduttori indipendenti: un passo importante verso reti quantistiche scalabili

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Configurazione sperimentale dell'interferenza quantistica tra due sorgenti QD a singolo fotone a stato solido indipendenti separate da una fibra di 302 km. DM: specchio dicromatico, LP: passa-lungo, BP: passa-banda, BS: divisore di fascio, SNSPD: rivelatore a fotone singolo a nanofili superconduttori, HWP: piastra a semionda, QWP: piastra a quarto d'onda, PBS: divisore di fascio di polarizzazione. CREDITO
Lei et al., doi 10.1117/1.AP.4.6.066003

Abstract:
Il Premio Nobel per la fisica di quest'anno ha celebrato l'interesse fondamentale dell'entanglement quantistico e ha anche previsto le potenziali applicazioni nella "seconda rivoluzione quantistica", una nuova era in cui saremo in grado di manipolare le stranezze della meccanica quantistica, inclusa la sovrapposizione quantistica e l'entanglement. Una rete quantistica su larga scala e perfettamente funzionante è il Santo Graal delle scienze dell'informazione quantistica. Aprirà una nuova frontiera della fisica, con nuove possibilità per il calcolo quantistico, la comunicazione e la metrologia.

Nascita delle reti quantistiche a stato solido: i ricercatori hanno dimostrato l'interferenza quantistica ad alta visibilità tra due punti quantici semiconduttori indipendenti: un passo importante verso reti quantistiche scalabili

Bellingham, WA | Pubblicato il 6 gennaio 2023

Una delle sfide più significative è estendere la distanza della comunicazione quantistica a una scala praticamente utile. A differenza dei segnali classici che possono essere amplificati senza rumore, gli stati quantistici in sovrapposizione non possono essere amplificati perché non possono essere perfettamente clonati. Pertanto, una rete quantistica ad alte prestazioni richiede non solo canali quantistici a bassissima perdita e memoria quantistica, ma anche sorgenti di luce quantistica ad alte prestazioni. Ci sono stati recenti progressi entusiasmanti nelle comunicazioni quantistiche basate su satellite e nei ripetitori quantistici, ma la mancanza di adeguate sorgenti a singolo fotone ha ostacolato ulteriori progressi.

Cosa è richiesto a una sorgente a singolo fotone per le applicazioni di rete quantistica? Innanzitutto, dovrebbe emettere un (solo uno) fotone alla volta. In secondo luogo, per raggiungere la luminosità, le sorgenti a singolo fotone dovrebbero avere un'elevata efficienza del sistema e un'elevata frequenza di ripetizione. In terzo luogo, per applicazioni come nel teletrasporto quantistico che richiedono l'interferenza con fotoni indipendenti, i singoli fotoni dovrebbero essere indistinguibili. Ulteriori requisiti includono una piattaforma scalabile, larghezza di linea sintonizzabile e a banda stretta (favorevole per la sincronizzazione temporale) e interconnettività con qubit di materia.

Una fonte promettente sono i punti quantici (QD), particelle semiconduttrici di pochi nanometri. Tuttavia, negli ultimi due decenni, la visibilità dell'interferenza quantistica tra QD indipendenti ha raramente superato il limite classico del 50% e le distanze sono state limitate a pochi metri o chilometri.

Come riportato in Advanced Photonics, un team internazionale di ricercatori ha ottenuto un'interferenza quantistica ad alta visibilità tra due QD indipendenti collegati con fibre ottiche di circa 300 km. Segnalano sorgenti a singolo fotone efficienti e indistinguibili con conversione di frequenza a singolo fotone sintonizzabile a bassissimo rumore e trasmissione a fibra lunga a bassa dispersione. I singoli fotoni sono generati da singoli QD pilotati in modo risonante accoppiati deterministicamente a microcavità. Le conversioni quantistiche di frequenza vengono utilizzate per eliminare la disomogeneità QD e spostare la lunghezza d'onda di emissione sulla banda delle telecomunicazioni. La visibilità dell'interferenza osservata è fino al 93%. Secondo l'autore senior Chao-Yang Lu, professore presso l'Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC), "Miglioramenti fattibili possono estendere ulteriormente la distanza a circa 600 km".

Lu osserva: "Il nostro lavoro è saltato dai precedenti esperimenti quantistici basati sulla QD su una scala da ~ 1 km a 300 km, due ordini di grandezza più grande, e apre quindi un'entusiasmante prospettiva di reti quantistiche a stato solido". Con questo balzo segnalato, l'alba delle reti quantistiche a stato solido potrebbe presto iniziare a irrompere verso il giorno.

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Danet Steffens
SPIE - Società internazionale di ottica e fotonica
Ufficio: 360-685-5478

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