Nuovo record mondiale per l’archiviazione di qubit

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 un ostacolo, tuttavia: dopo poche centinaia di chilometri all’interno di una fibra ottica, i fotoni che trasportano i qubit o ‘quantum bit’ (l’informazione) scompaiono. Hanno quindi bisogno di “ripetitori”, una sorta di “relè”, che sono in parte 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. Poiché 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 dei ‘ripetitori’ basati, in particolare, su una memoria quantistica.

Cristallo di archiviazione Qubit

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

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 anche 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 ([{” attribute=””>absolute zero), because beyond 10°C above this temperature, the thermal agitation of the crystal destroys the entanglement of the atoms.

“We applied a small magnetic field of one thousandth of a Tesla to the crystal and used dynamic decoupling methods, which consist in sending intense radio frequencies to the crystal. The effect of these techniques is to decouple the rare-earth ions from perturbations of the environment and increase the storage performance we have known until now by almost a factor of 40,” explains Antonio Ortu, a post-doctoral fellow in the Department of Applied Physics at UNIGE. The results of this research constitute a major advance for the development of long-distance quantum telecommunications networks. They also bring the storage of a quantum state carried by a photon to a time scale that can be estimated by humans.

An efficient system in ten years

However, there are still several challenges to be met. “The challenge now is to extend the storage time further. In theory, it would be enough to increase the duration of exposure of the crystal to radio frequencies, but for the time being, technical obstacles to their implementation over a longer period of time prevent us from going beyond 100 milliseconds. However, it is certain that these technical difficulties can be resolved,” says Mikael Afzelius.

The scientists will also have to find ways of designing memories capable of storing more than a single photon at a time, and thus of having ‘entangled’ photons which will guarantee confidentiality. “The aim is to develop a system that performs well on all these points and that can be marketed within ten years,” concludes the researcher.

Referemce: “Storage of photonic time-bin qubits for up to 20 ms in a rare-earth doped crystal” by Antonio Ortu, Adrian Holzäpfel, Jean Etesse and Mikael Afzelius, 15 March 2022, npj Quantum Information.
DOI: 10.1038/s41534-022-00541-3

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