Uno schema di un esperimento di interferenza in cui due fotoni sono prodotti in diversi edifici, sono generati da fonti diverse e hanno colori diversi. Credito: S. Kelley / NIST

Introduzione

Le particelle possono talvolta agire come onde e i fotoni (particelle di luce) non fanno eccezione. Proprio come le onde creano un modello di interferenza, come le increspature su uno stagno, così anche i fotoni. I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno raggiunto un’importante nuova impresa: creare una bizzarra interferenza “quantistica” tra due fotoni di “colori” marcatamente diversi, provenienti da diversi edifici nel campus dell’Università del Maryland. I ricercatori hanno riportato i loro risultati online in un recente numero di Physical Review Letters .

Un risultato importante

L’esperimento è un passo importante per le future comunicazioni quantistiche e il calcolo quantistico, che potrebbero potenzialmente fare cose che i computer classici non possono fare, come rompere potenti codici di crittografia e simulare il comportamento di nuovi farmaci complessi nel corpo. L’interferenza tra due fotoni potrebbe collegare processori quantistici distanti, consentendo una rete di computer quantistica simile ad Internet.

L’uso di fotoni che originariamente avevano colori (lunghezze d’onda) diversi è importante perché imita il modo in cui un computer quantistico opererebbe. Ad esempio, i fotoni a luce visibile possono interagire con atomi, ioni o altri sistemi intrappolati che fungono da versioni quantistiche della memoria del computer mentre i fotoni a lunghezza d’onda maggiore (vicino all’infrarosso) sono in grado di propagarsi su lunghe distanze attraverso fibre ottiche. Il risultato del NIST porta lo scambio di informazioni del calcolo quantistico ad un passo importante verso la realtà.

L’esperimento: così simili

Nel loro studio, una collaborazione tra NIST e Army Research Laboratory, fisici e ingegneri in edifici adiacenti dell’Università del Maryland ha creato due fonti diverse e separate di singoli fotoni. In un edificio, a un gruppo di atomi di rubidio è stato richiesto di emettere singoli fotoni con una lunghezza d’onda di 780 nanometri, all’estremità rossa dello spettro della luce visibile. Nell’altro edificio, a 150 metri di distanza, uno ione intrappolato di bario è stato indotto ad emettere fotoni con una lunghezza d’onda di 493 nanometri – quasi il 40 percento più corta – verso l’estremità blu dello spettro.

Quindi i ricercatori hanno dovuto far squillare i fotoni blu per quelli rossi. Per fare questo, Alexander Craddock, Trey Porto e Steven Rolston del Joint Quantum Institute, una partnership tra NIST e l’Università del Maryland, ed i loro collegh,i hanno mescolato i fotoni blu con la luce infrarossa in un cristallo speciale. Il cristallo ha usato la luce infrarossa per convertire i fotoni blu in una lunghezza d’onda che corrispondeva a quelli rossi nell’altro edificio, preservando altrimenti le loro proprietà originali. Solo allora il team ha inviato i fotoni attraverso una fibra ottica di 150 metri per incontrarsi con i fotoni rossi quasi identici nell’altro edificio.

I fotoni erano così simili che non era possibile distinguerli nella configurazione sperimentale. I singoli fotoni normalmente agiscono indipendentemente l’uno dall’altro. Ma a causa della peculiare natura quantistica della luce, quando due fotoni indistinguibili interferiscono l’uno con l’altro, i loro percorsi possono diventare correlati o dipendenti l’uno dall’altro. Tale correlazione quantistica può essere utilizzata come un potente strumento per il calcolo.

I ricercatori hanno osservato questa correlazione quando le coppie dei fotoni prodotti separatamente si intersecavano e sono piuttosto sicuri di questo. Le coppie di fotoni attraversavano un componente ottico noto come beamsplitter, che poteva inviarli in uno di due percorsi. 

Agendo da solo, ogni fotone avrebbe avuto una probabilità 50-50 di passare attraverso entrambi i percorsi. Ma i due fotoni indistinguibili si sovrapponevano come onde. A causa della loro bizzarra interferenza quantica, sono rimasti insieme ed hanno seguito sempre la stessa strada. Questo effetto di interferenza può potenzialmente svolgere molti compiti utili nell’elaborazione delle informazioni quantistiche.

Collegare la interferenza con l’entanglement

Una connessione diretta al calcolo quantistico verrebbe se il modello di interferenza fosse collegato ad un’altra proprietà bizzarra della meccanica quantistica nota come entanglement. Questo fenomeno si verifica quando due o più fotoni o altre particelle vengono preparati in modo tale che una misurazione di una particolare proprietà di uno – ad esempio il momentum – determini automaticamente la stessa proprietà dell’altro, anche se le particelle sono distanti. L’entanglement è al centro di molti schemi di informazione quantistica, incluso il calcolo quantistico e la crittografia.

Nell’esperimento del team, i due fotoni non sono stati coinvolti con i sistemi che li hanno generati. Ma in studi futuri, ha affermato Porto, dovrebbe essere relativamente facile intrappolare i fotoni rossi con il gruppo di atomi di rubidio che lo hanno prodotto. Allo stesso modo, i fotoni blu potrebbero essere intrecciati con lo ione intrappolato che li ha prodotti. Quando i due fotoni interferiscono, quella connessione trasferirebbe l’entanglement tra gli atomi di fotone-rubidio rosso e lo ione di fotone blu per diventare un entanglement tra gli atomi di rubidio e lo ione intrappolato.

È questo trasferimento di entanglement – questo trasferimento di informazioni – che sta alla base del vasto potenziale dei computer quantistici, ha osservato Porto.

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