A: Schema di chip. Le linee nere rappresentano guide d'onda monomodali per i singoli fotoni, gli impulsi rosso e blu rappresentano l'energia dei fotoni in ciascun percorso. Le barre gialle rappresentano il controllo di fase esterno. B: Impostazione del teletrasporto. C: Configurazione di scambio entanglement. D: Preparazione dello stato GHZ a 4 fotoni. Credit: Università di Bristol

Il futuro è quantistico

Si prevede che lo sviluppo di tecnologie in grado di elaborare informazioni basate sulle leggi della fisica quantistica avrà un impatto profondo sulla società moderna. Ad esempio, i computer quantistici potrebbero essere la chiave per risolvere problemi troppo complessi per i supercomputer più potenti di oggi e una rete quantistica potrebbe in definitiva proteggere le informazioni del mondo da pericolosi attacchi. Tuttavia, queste tecnologie si basano tutte su “informazioni quantistiche” tipicamente codificate in singole particelle quantistiche che sono estremamente difficili da controllare e misurare.

Chip-to-chip

Gli scienziati dell’Università di Bristol, in collaborazione con la Technical University of Denmark (DTU), hanno sviluppato con successo dispositivi con chip in scala in grado di sfruttare le applicazioni della fisica quantistica generando e manipolando singole particelle di luce all’interno di circuiti in nanoscala programmabili.

Questi chip sono in grado di codificare le informazioni quantistiche nella luce generata all’interno dei circuiti e possono elaborare le “informazioni quantistiche” con un’elevata efficienza e un rumore estremamente basso. Questa dimostrazione potrebbe consentire un significativo aumento della capacità di produrre circuiti quantistici più complessi richiesti nell’informatica e nelle comunicazioni quantistiche.

Il loro lavoro, pubblicato sulla rivista Nature Physics e disponibile gratuitamente in forma prestampata sul server di prestampa arXiv, ospita una serie di dimostrazioni quantistiche.

Il teletrasporto quantistico di informazioni

In uno degli esperimenti rivoluzionari, i ricercatori del Quantum Engineering Technology Labs (QET Labs) dell’Università di Bristol, dimostrano per la prima volta il teletrasporto quantistico di informazioni tra due chip programmabili, che considerano una pietra miliare delle comunicazioni quantistiche e dell’informatica quantistica.

Il teletrasporto quantistico offre il trasferimento dello stato quantico di una particella quantistica da un luogo a un altro utilizzando l’entanglement. Il teletrasporto non è utile solo per la comunicazione quantistica, ma è un elemento fondamentale del calcolo ottico quantistico. Stabilire un collegamento di comunicazione intrecciato tra due chip in laboratorio si è tuttavia rivelato estremamente impegnativo.

Dan Llewellyn (coautore) ha dichiarato: “Siamo stati in grado di dimostrare un collegamento di entanglement di alta qualità tra due chip in laboratorio, in cui i fotoni su entrambi i chip condividono un singolo stato quantistico. Ogni chip è stato quindi completamente programmato per eseguire una serie di dimostrazioni che utilizzano l’entanglement.

“La dimostrazione è stata un esperimento di teletrasporto a due chip, in base al quale lo stato quantistico individuale di una particella viene trasmesso attraverso i due chip dopo l’esecuzione di una misurazione quantistica. Questa misurazione utilizza lo strano comportamento della fisica quantistica, che contemporaneamente fa collassare “l’entanglement link” e trasferisce lo stato delle particelle su un’altra particella già presente sul chip ricevente“.

Un altro coautore, il dottor Imad Faruque, anch’egli della Bristol, ha aggiunto: “Sulla base del nostro precedente risultato di sorgenti a singolo fotone su chip di alta qualità, abbiamo costruito un circuito ancora più complesso contenente quattro fonti. Tutte queste fonti sono testate e trovate quasi identiche emettendo fotoni quasi identici, che è un criterio essenziale per l’insieme di esperimenti che abbiamo effettuato, come lo scambio di entanglement“.

Alta fedeltà

I risultati hanno mostrato un teletrasporto quantistico ad altissima fedeltà pari al 91%. Inoltre, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare alcune altre importanti funzionalità dei loro progetti, come lo scambio di entanglement (richiesto per ripetitori quantistici e reti quantistiche) e gli stati GHZ a quattro fotoni (richiesti nell’informatica quantistica e nell’Internet quantistico ).

Secondo il co-autore Dr. Yunhong Ding, della DTU, bassa perdita, alta stabilità ed eccellente controllabilità sono estremamente importanti per la fotonica quantistica integrata. Ha detto: “Questo esperimento è stato reso possibile grazie alla tecnologia fotonica al silicio a bassa perdita basata sulla fabbricazione di alta qualità presso la DTU“.

L’autore principale, il dott. Jianwei Wang, ora alla Peking University, ha dichiarato: “In futuro, una singola integrazione Si-chip di dispositivi fotonici quantistici e controlli elettronici classici aprirà le porte alla comunicazione e alle informazioni quantistiche, compatibili con CMOS, completamente basate su reti di elaborazione delle informazioni“.

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