I ricercatori memorizzano un bit quantico per un record di 20 millisecondi

Cristallo utilizzato per immagazzinare qubit fotonici e illuminato da un laser in un criostato, uno strumento per ottenere temperature criogeniche. Crediti: Antonio Ortu

Computer, smartphone, GPS: la fisica quantistica ha consentito molti progressi tecnologici. Sta ora aprendo nuovi campi di ricerca nella crittografia (l’arte di codificare i messaggi) con l’obiettivo di sviluppare reti di telecomunicazioni ultra sicure. C’è però un ostacolo: dopo poche centinaia di chilometri all’interno di una fibra ottica, i fotoni che trasportano i qubit o “bit quantistici” (l’informazione) scompaiono. Hanno quindi bisogno di “ripetitori”, una sorta di “relè”, che sono parzialmente basati su una memoria quantistica. Riuscendo a memorizzare un qubit in un cristallo (una “memoria”) per 20 millisecondi, un team dell’Università di Ginevra (UNIGE) ha stabilito un record mondiale e compiuto un passo importante verso lo sviluppo di reti di telecomunicazioni quantistiche a lunga distanza. Questa ricerca può essere trovata nella rivista npj Informazioni quantistiche.

Sviluppata nel corso del 20° secolo, la fisica quantistica ha permesso agli scienziati di descrivere il comportamento di atomi e particelle, nonché alcune proprietà della radiazione elettromagnetica. Rompendo con la fisica classica, queste teorie generarono una vera rivoluzione e introdussero nozioni senza equivalenti nel mondo macroscopico come la sovrapposizione, che descrive la possibilità che una particella si trovi in ​​più posti contemporaneamente, o l’entanglement, che descrive la capacità di due particelle influenzarsi a vicenda istantaneamente anche a distanza (“azione spettrale a distanza”).

Le teorie quantistiche sono ora al centro di molte ricerche in crittografia, una disciplina che riunisce le tecniche per codificare un messaggio. Le teorie quantistiche consentono di garantire la perfetta autenticità e riservatezza dell’informazione (un qubit) quando viene trasmessa tra due interlocutori da una particella di luce (un fotone) all’interno di una fibra ottica. Il fenomeno della sovrapposizione fa sapere immediatamente al mittente se il fotone che veicola il messaggio è stato intercettato.

Memorizzazione del segnale

Tuttavia, c’è un grosso ostacolo allo sviluppo dei sistemi di telecomunicazioni quantistiche a lunga distanza: oltre poche centinaia di chilometri, le foto si perdono e il segnale scompare. Dal momento che il segnale non può essere copiato o amplificato – perderebbe lo stato quantistico che ne garantisce la riservatezza – la sfida è trovare il modo di ripeterlo senza alterarlo creando “ripetitori” basati, in particolare, su una memoria quantistica.

Nel 2015, il team guidato da Mikael Afzelius, docente senior presso il Dipartimento di Fisica Applicata della Facoltà di Scienze dell’Università di Ginevra (UNIGE), è riuscito a memorizzare un qubit trasportato da un fotone per 0,5 millisecondi in un cristallo (un “memoria”). Questo processo ha permesso al fotone di trasferire il suo stato quantistico agli atomi del cristallo prima di scomparire. Tuttavia, il fenomeno non è durato abbastanza a lungo da consentire la costruzione di una rete più ampia di memorie, un prerequisito per lo sviluppo delle telecomunicazioni quantistiche a lunga distanza.

Registro di archiviazione

Oggi, nell’ambito del programma European Quantum Flagship, il team di Mikael Afzelius è riuscito ad aumentare notevolmente questa durata memorizzando un qubit per 20 millisecondi. “Questo è un record mondiale per una memoria quantistica basata su un sistema a stato solido, in questo caso un cristallo. Siamo persino riusciti a raggiungere la soglia dei 100 millisecondi con una piccola perdita di fedeltà”, afferma entusiasta il ricercatore. Come nel loro precedente lavoro, gli scienziati dell’UNIGE hanno utilizzato cristalli drogati con alcuni metalli chiamati “terre rare” (europio in questo caso), in grado di assorbire la luce per poi riemetterla. Questi cristalli sono stati mantenuti a -273,15°C (zero assoluto), perché oltre i 10°C al di sopra di questa temperatura, l’agitazione termica del cristallo distrugge l’entanglement degli atomi.

“Abbiamo applicato un piccolo campo magnetico di un millesimo di Tesla al cristallo e utilizzato metodi di disaccoppiamento dinamico, che consistono nell’invio di intense frequenze radio al cristallo. L’effetto di queste tecniche è di disaccoppiare gli ioni delle terre rare dalle perturbazioni del ambiente e aumentare le prestazioni di archiviazione che abbiamo conosciuto fino ad ora di quasi un fattore 40”, spiega Antonio Ortu, borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica Applicata dell’UNIGE. I risultati di questa ricerca costituiscono un importante progresso per lo sviluppo di reti di telecomunicazioni quantistiche a lunga distanza. Portano anche la memorizzazione di uno stato quantistico trasportato da un fotone su una scala temporale che può essere stimata dagli esseri umani.

Un sistema efficiente in 10 anni

Tuttavia, ci sono ancora diverse sfide da affrontare. “La sfida ora è prolungare ulteriormente il tempo di conservazione. In teoria, basterebbe aumentare la durata dell’esposizione del cristallo alle radiofrequenze, ma per il momento gli ostacoli tecnici alla loro attuazione per un periodo di tempo più lungo impediscono di andare oltre i 100 millisecondi. Tuttavia, è certo che queste difficoltà tecniche possono essere risolte”, afferma Mikael Afzelius.

Gli scienziati dovranno anche trovare il modo di progettare memorie in grado di immagazzinare più di un singolo fotone alla volta, e quindi di avere fotoni “entangled” che garantiscano la riservatezza. “L’obiettivo è sviluppare un sistema che funzioni bene su tutti questi punti e che possa essere commercializzato entro dieci anni”, conclude il ricercatore.


Concatenare insieme gli atomi produce una memoria quantistica


Maggiori informazioni:
Antonio Ortu et al, Archiviazione di qubit fotonici time-bin per un massimo di 20 ms in un cristallo drogato con terre rare, npj Informazioni quantistiche (2022). DOI: 10.1038/s41534-022-00541-3

Fornito dall’Università di Ginevra

Citazione: i ricercatori memorizzano un bit quantico per un record di 20 millisecondi (2022, 22 marzo) recuperato il 22 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-quantum-bit-fora-record-breaking-milliseconds. html

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