Un modo più semplice per connettere i computer quantistici

Un nuovo dispositivo atomico invia informazioni quantistiche ad alta fedeltà su reti in fibra ottica

Università di Princeton, Scuola di Ingegneria

immagine: I ricercatori dell'Università di Princeton hanno creato un nuovo modo per collegare i computer quantistici con segnali ad alta fedeltà utilizzando lunghezze d'onda della luce della banda delle telecomunicazioni.vedere di più

Credito: foto di Sameer A. Khan/Fotobuddy

I ricercatori hanno un nuovo modo per connettere dispositivi quantistici su lunghe distanze, un passo necessario per consentire alla tecnologia di svolgere un ruolo nei futuri sistemi di comunicazione.

Mentre i classici segnali di dati di oggi possono essere amplificati attraverso una città o un oceano, i segnali quantistici no. Devono essere ripetuti a intervalli, ovvero fermati, copiati e trasmessi da macchine specializzate chiamate ripetitori quantistici. Molti esperti ritengono che questi ripetitori quantistici svolgeranno un ruolo chiave nelle future reti di comunicazione, consentendo una maggiore sicurezza e consentendo connessioni tra computer quantistici remoti.

Lo studio di Princeton, pubblicato il 30 agosto su Nature, descrive in dettaglio le basi per un nuovo approccio alla costruzione di ripetitori quantistici. Invia luce pronta per le telecomunicazioni emessa da un singolo ione impiantato in un cristallo. Lo sforzo è durato molti anni, secondo Jeff Thompson, l'autore principale dello studio. Il lavoro ha combinato i progressi nella progettazione fotonica e nella scienza dei materiali.

Altri importanti progetti di ripetitori quantistici emettono luce nello spettro visibile, che si degrada rapidamente sulla fibra ottica e deve essere convertita prima di percorrere lunghe distanze. Il nuovo dispositivo si basa su un singolo ione di terre rare impiantato in un cristallo ospite. E poiché questo ione emette luce a una lunghezza d’onda infrarossa ideale, non richiede tale conversione del segnale, il che può portare a reti più semplici e robuste.

Il dispositivo è composto da due parti: un cristallo di tungstato di calcio drogato con solo una manciata di ioni erbio e un pezzo nanoscopico di silicio inciso in un canale a forma di J. Pulsato con uno speciale laser, lo ione emette luce attraverso il cristallo. Ma il pezzo di silicio, un filo di semiconduttore bloccato sulla parte superiore del cristallo, cattura e guida i singoli fotoni nel cavo in fibra ottica.

Idealmente, questo fotone dovrebbe essere codificato con le informazioni provenienti dallo ione, ha detto Thompson. O più specificamente, da una proprietà quantistica dello ione chiamata spin. In un ripetitore quantistico, raccogliere e interferire con i segnali provenienti da nodi distanti creerebbe un entanglement tra i loro spin, consentendo la trasmissione end-to-end degli stati quantistici nonostante le perdite lungo il percorso.

Il team di Thompson aveva iniziato a lavorare con gli ioni erbio diversi anni prima, ma le prime versioni utilizzavano cristalli diversi che contenevano troppo rumore. In particolare, questo rumore faceva sì che la frequenza dei fotoni emessi saltasse in modo casuale in un processo noto come diffusione spettrale. Ciò ha impedito la delicata interferenza quantistica necessaria per far funzionare le reti quantistiche. Per risolvere questo problema, il suo laboratorio ha iniziato a lavorare con Nathalie de Leon, professore associato di ingegneria elettrica e informatica, e Robert Cava, uno dei principali scienziati dei materiali allo stato solido e professore di chimica Russell Wellman Moore di Princeton, per esplorare nuovi materiali che potrebbero ospitare singoli materiali. ioni erbio con molto meno rumore.

Hanno vagliato l'elenco dei materiali candidati da centinaia di migliaia fino a poche centinaia, poi un paio di dozzine, poi tre. Ciascuno dei tre finalisti ha impiegato sei mesi per testarsi. Il primo materiale si è rivelato non abbastanza chiaro. Il secondo faceva sì che l'erbio avesse proprietà quantistiche scadenti. Ma il terzo, il tungstato di calcio, era perfetto.

Per dimostrare che il nuovo materiale è adatto per le reti quantistiche, i ricercatori hanno costruito un interferometro in cui i fotoni passano casualmente attraverso uno dei due percorsi: un percorso breve lungo diversi metri o un percorso lungo lungo 22 miglia (fatto di fibre ottiche a bobina). fibra). I fotoni emessi dallo ione possono percorrere il percorso lungo o quello breve e, circa la metà delle volte, i fotoni consecutivi prendono percorsi opposti e arrivano all'uscita nello stesso tempo.