Un nuovo esperimento traduce le informazioni quantistiche tra le tecnologie in un passo importante per l'internet quantistico

24 marzo 2023 (Notizie Nanowerk) I ricercatori hanno scoperto un modo per "tradurre" le informazioni quantistiche tra diversi tipi di tecnologie quantistiche, con implicazioni significative per l'informatica quantistica, la comunicazione e il networking. La ricerca, pubblicata sulla rivista Natura ("Trasduzione da onde millimetriche abilitate alla quantistica alla trasduzione ottica utilizzando atomi neutri"). Rappresenta un nuovo modo per convertire le informazioni quantistiche dal formato utilizzato dai computer quantistici al formato necessario per la comunicazione quantistica. Una cavità superconduttrice di niobio. I fori conducono a tunnel che si intersecano per intrappolare luce e atomi. (Immagine: Aishwarya Kumar) I fotoni, particelle di luce, sono essenziali per le tecnologie dell'informazione quantistica, ma diverse tecnologie li utilizzano a frequenze diverse. Ad esempio, alcune delle più comuni tecnologie di calcolo quantistico si basano su qubit superconduttori, come quelli utilizzati dai giganti della tecnologia Google e IBM; questi qubit immagazzinano informazioni quantistiche in fotoni che si muovono alle frequenze delle microonde. Ma se vuoi costruire una rete quantistica o connettere computer quantistici, non puoi inviare fotoni a microonde perché la loro presa sulle loro informazioni quantistiche è troppo debole per sopravvivere al viaggio. "Molte delle tecnologie che utilizziamo per la comunicazione classica - telefoni cellulari, Wi-Fi, GPS e cose del genere - utilizzano tutte le frequenze della luce a microonde", ha affermato Aishwarya Kumar, postdoc presso il James Franck Institute dell'Università di Chicago e autore principale della carta. “Ma non puoi farlo per la comunicazione quantistica perché l'informazione quantistica di cui hai bisogno è in un singolo fotone. E alle frequenze delle microonde, quell'informazione verrà sepolta dal rumore termico". La soluzione è trasferire le informazioni quantistiche a un fotone a frequenza più alta, chiamato fotone ottico, che è molto più resistente al rumore ambientale. Ma l'informazione non può essere trasferita direttamente da fotone a fotone; invece, abbiamo bisogno di materia intermedia. Alcuni esperimenti progettano dispositivi a stato solido per questo scopo, ma l'esperimento di Kumar mirava a qualcosa di più fondamentale: gli atomi. Agli elettroni negli atomi è consentito avere solo determinate quantità specifiche di energia, chiamate livelli di energia. Se un elettrone si trova a un livello energetico inferiore, può essere eccitato a un livello energetico superiore colpendolo con un fotone la cui energia corrisponde esattamente alla differenza tra il livello superiore e inferiore. Allo stesso modo, quando un elettrone è costretto a scendere a un livello di energia inferiore, l'atomo emette quindi un fotone con un'energia che corrisponde alla differenza di energia tra i livelli. Un diagramma dei livelli di energia degli elettroni di Rubidio. Due dei divari di livello energetico corrispondono rispettivamente alle frequenze dei fotoni ottici e dei fotoni a microonde. I laser vengono utilizzati per forzare l'elettrone a saltare a livelli superiori o scendere a livelli inferiori. (Immagine: Aishwarya Kumar) Gli atomi di rubidio hanno due lacune nei loro livelli che la tecnologia di Kumar sfrutta: una che è esattamente uguale all'energia di un fotone a microonde e una che è esattamente uguale all'energia di un fotone ottico. Usando i laser per spostare le energie degli elettroni dell'atomo su e giù, la tecnologia consente all'atomo di assorbire un fotone a microonde con informazioni quantistiche e quindi emettere un fotone ottico con quell'informazione quantistica. Questa traduzione tra diverse modalità di informazione quantistica è chiamata "trasduzione". L'uso efficace degli atomi per questo scopo è reso possibile dai significativi progressi compiuti dagli scienziati nella manipolazione di oggetti così piccoli. "Noi come comunità abbiamo costruito una tecnologia straordinaria negli ultimi 20 o 30 anni che ci consente di controllare essenzialmente tutto ciò che riguarda gli atomi", ha affermato Kumar. "Quindi l'esperimento è molto controllato ed efficiente." Dice che l'altro segreto del loro successo è il progresso del campo nell'elettrodinamica quantistica della cavità, in cui un fotone è intrappolato in una camera superconduttiva e riflettente. Costringendo il fotone a rimbalzare in uno spazio chiuso, la cavità superconduttrice rafforza l'interazione tra il fotone e qualunque materia si trovi al suo interno. La loro camera non sembra molto chiusa, anzi, ricorda più da vicino un blocco di formaggio svizzero. Ma quelli che sembrano buchi sono in realtà tunnel che si intersecano in una geometria molto specifica, in modo che i fotoni o gli atomi possano essere intrappolati in un'intersezione. È un design intelligente che consente anche ai ricercatori di accedere alla camera in modo che possano iniettare atomi e fotoni. La tecnologia funziona in entrambe le direzioni: può trasferire informazioni quantistiche dai fotoni a microonde ai fotoni ottici e viceversa. Quindi può trovarsi su entrambi i lati di una connessione a lunga distanza tra due computer quantistici qubit superconduttori e fungere da elemento fondamentale per un'internet quantistica. Ma Kumar pensa che potrebbero esserci molte più applicazioni per questa tecnologia oltre al semplice networking quantistico. La sua capacità principale è quella di entangle fortemente atomi e fotoni, un compito essenziale e difficile in molte diverse tecnologie quantistiche in tutto il campo. "Una delle cose di cui siamo davvero entusiasti è la capacità di questa piattaforma di generare un entanglement davvero efficiente", ha affermato. “L'entanglement è fondamentale per quasi tutto ciò che ci interessa, dall'informatica alle simulazioni, dalla metrologia agli orologi atomici. Sono entusiasta di vedere cos'altro possiamo fare".

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• Fonte: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=62669.php