Mikhail Lukin, George Vasmer Leverett Professore di fisica (non nella foto) e studenti GSAS, David Levonian, (a sinistra) e Mihir Bhaskar sono ricercatori di Harvard che hanno creato il collegamento mancante per un Internet quantico ultra sicuro all'interno di LISE. (Kris Snibbe / Harvard Staff Photographer)

Intro: internet quantistico

Un’internet quantistico potrebbe essere utilizzato per inviare messaggi non hackerabili, migliorare la precisione del GPS e abilitare il calcolo quantistico basato sul cloud. Per più di venti anni, i sogni di creare una tale rete quantistica sono rimasti fuori portata in gran parte a causa della difficoltà di inviare segnali quantistici su grandi distanze senza perdita. 

Ora, i ricercatori di Harvard e del MIT hanno trovato un modo per correggere la perdita di segnale con un prototipo di nodo quantistico in grado di catturare, archiviare e impigliare frammenti di informazioni quantistiche. La ricerca è l’anello mancante verso l’Internet quantistico e un grande passo avanti nello sviluppo di reti quantistiche a lunga distanza.

Questa dimostrazione è una svolta concettuale che potrebbe estendere la più lunga gamma possibile di reti quantistiche e potenzialmente abilitare molte nuove applicazioni in un modo impossibile per qualsiasi tecnologia esistente“, ha dichiarato Mikhail Lukin, George Vasmer Leverett, professore di fisica e co-Direttore della Harvard Quantum Initiative. Questa è la realizzazione di un obiettivo che è stato perseguito dalla nostra comunità di scienza e ingegneria quantistica per più di due decenni“. 

La ricerca è pubblicata su Nature.

Risolvere un atavico problema

Ogni forma di tecnologia di comunicazione – dal primo telegrafo all’attuale Internet in fibra ottica – ha dovuto affrontare il fatto che i segnali si degradano e si perdono quando vengono trasmessi su lunghe distanze. I primi ripetitori, che ricevono e amplificano i segnali per correggere questa perdita, furono sviluppati per amplificare i segnali telegrafici del filo in dissolvenza a metà del 1800. Duecento anni dopo, i ripetitori sono parte integrante della nostra infrastruttura di comunicazione a lunga distanza. 

Questa è la realizzazione di un obiettivo perseguito dalla nostra comunità di scienza e ingegneria quantistica da oltre due decenni.

MIKHAIL LUKINGEORGE VASMER LEVERETT PROFESSORE DI FISICA E CONDIRETTORE DELLA HARVARD QUANTUM INITIATIVE

In una rete classica, se Alice a New York vuole inviare un messaggio a Bob in California, il messaggio viaggia da costa a costa in una linea più o meno dritta. Lungo la strada, il segnale passa attraverso i ripetitori, dove viene letto, amplificato e corretto per eventuali errori. L’intero processo è in ogni momento vulnerabile agli attacchi.  

Se Alice vuole inviare un messaggio quantistico, tuttavia, il processo è diverso. Le reti quantistiche usano particelle quantistiche di luce – singoli fotoni – per comunicare stati quantici di luce su lunghe distanze. Queste reti hanno un trucco che i sistemi classici non hanno: l’entanglement

L’entanglement – ciò che Einstein chiamava “spooky action at a distance” – azione spettrale a distanz: consente a bit di informazioni di essere perfettamente correlati su qualsiasi distanza. Poiché i sistemi quantistici non possono essere osservati senza cambiare, Alice potrebbe usare l’entanglement per inviare messaggi a Bob senza timore di intercettatori. Questa nozione è la base per applicazioni come la crittografia quantistica – sicurezza garantita dalle leggi della fisica quantistica. 

La comunicazione quantistica su lunghe distanze, tuttavia, è anche influenzata dalle perdite di fotoni, che è uno dei maggiori ostacoli alla realizzazione dell’Internet quantistico su larga scala. Ma lo stesso principio fisico che rende la comunicazione quantistica ultra-sicura rende anche impossibile utilizzare ripetitori classici esistenti per riparare la perdita di informazioni.

Ripetitore quantistico

Come puoi amplificare e correggere un segnale se non riesci a leggerlo? La soluzione a questo compito apparentemente impossibile comporta un cosiddetto ripetitore quantistico. A differenza dei ripetitori classici, che amplificano un segnale attraverso una rete esistente, i ripetitori quantistici creano una rete di particelle intrecciate attraverso le quali è possibile trasmettere un messaggio. 

In sostanza, un ripetitore quantistico è un piccolo computer quantistico per scopi speciali. In ogni fase di tale rete, i ripetitori quantistici devono essere in grado di catturare ed elaborare bit quantici di informazioni quantistiche per correggere errori e archiviarli abbastanza a lungo da consentire il resto della rete.

Fino ad ora, ciò è stato impossibile per due motivi: primo, i singoli fotoni sono molto difficili da catturare. In secondo luogo, le informazioni quantistiche sono notoriamente fragili, il che rende molto difficile l’elaborazione e la memorizzazione per lunghi periodi di tempo.

Dispositivi di memoria quantistica

Il laboratorio di Lukin – in collaborazione con Marko Loncar, professore di ingegneria elettrica Tiantsai Lin presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Hongkun Park, Mark Hyman Jr. Professore di chimica presso la Facoltà di Lettere di Harvard e Sciences (FAS), e Dirk Englund, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) – ha lavorato per sfruttare un sistema in grado di svolgere bene entrambe queste attività – i centri di colore del silicio-lacuna nei diamanti. 

immagine del dispositivo
Una microfotografia elettronica a scansione (SEM) dei dispositivi utilizzati in questo esperimento. Le stringhe di diamanti sospese (grigie) portano fotoni contenenti informazioni in una cavità. Questa cavità confina la luce sulla parte superiore di una memoria di atomo di silicio (SiV) impiantata, in modo tale che le informazioni vengano trasferite sulla memoria. Gli elettrodi (oro) vengono quindi utilizzati per manipolare le informazioni memorizzate nella memoria SiV. (Immagine gentilmente concessa da Bart Machielse / Harvard University) Scarica immagine

Questi centri sono piccoli difetti nella struttura atomica di un diamante che può assorbire e irradiare luce, dando origine ai colori brillanti di un diamante.

Nel corso degli ultimi anni, i nostri laboratori hanno lavorato per comprendere e controllare i singoli centri di colore del silicio-lacuna, in particolare su come usarli come dispositivi di memoria quantistica per singoli fotoni“, ha affermato Mihir Bhaskar, dott. dell gruppo Lukin. 

I ricercatori hanno integrato un singolo centro di colore in una cavità diamantata nanofabbricata, che confina i fotoni contenenti informazioni e li costringe a interagire con il singolo centro di colore. Hanno quindi messo il dispositivo in un frigorifero a diluizione, che raggiunge temperature vicine allo zero assoluto e hanno inviato singoli fotoni attraverso i cavi in ​​fibra ottica nel frigorifero, dove sono stati catturati e intrappolati in modo efficiente dal centro di colore.

Il dispositivo è in grado di memorizzare le informazioni quantistiche per millisecondi, abbastanza a lungo da consentire il trasporto delle informazioni per migliaia di chilometri. Gli elettrodi incorporati nella cavità sono stati utilizzati per fornire segnali di controllo per elaborare e preservare le informazioni memorizzate nella memoria.

Questo dispositivo combina i tre elementi più importanti di un ripetitore quantistico: una lunga memoria, la capacità di catturare in modo efficiente le informazioni dai fotoni e un modo per elaborarle localmente“, ha affermato Bart Machielse, dott. presso il Laboratory for Nanoscale Optics. “Ognuna di queste sfide è stata affrontata separatamente, ma nessun dispositivo le ha combinato tutte e tre“.

Attualmente, stiamo lavorando per estendere questa ricerca distribuendo le nostre memorie quantistiche in veri e propri collegamenti urbani in fibra ottica“, ha affermato Ralf Riedinger, candidato post-dottorato nel gruppo Lukin. “Abbiamo in programma di creare grandi reti di memorie quantistiche intrecciate ed esplorare le prime applicazioni di un Internet quantistico“.

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