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Jun 07, 2023

I computer quantistici potrebbero presto connettersi su distanze più lunghe

Bartlomiej Wroblewski/iStock Iscrivendoti, accetti i nostri Termini di utilizzo e le nostre politiche. Puoi annullare l'iscrizione in qualsiasi momento. Sapevi che le trasmissioni quantistiche non possono essere amplificate su una città o su un oceano

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Sapevi che le trasmissioni quantistiche non possono essere amplificate su una città o su un oceano come i segnali dati convenzionali? Devono invece essere ripetuti periodicamente utilizzando dispositivi specializzati chiamati ripetitori quantistici.

Per la tecnologia da utilizzare nelle future reti di comunicazione, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per connettere dispositivi quantistici su grandi distanze.

Poiché i ripetitori sono destinati a diventare cruciali per connettere computer quantistici distanti e migliorare la sicurezza nelle reti di comunicazione in futuro, un team di ricercatori di Princeton ha dettagliato un nuovo approccio alla costruzione di ripetitori quantistici nel loro studio pubblicato sulla rivista Nature il 30 agosto.

L'idea prevede ripetitori che trasmettono luce pronta per le telecomunicazioni grazie a uno ione che è stato inserito in un cristallo.

Lo spettro visibile, emesso da alcuni altri popolari sistemi ripetitori quantistici, si degrada rapidamente attraverso la fibra ottica e deve essere trasformato prima di essere inviato a grandi distanze.

Secondo Jeff Thompson, l'autore principale dell'articolo, un singolo ione della Terra rara impiantato in un cristallo ospite funge da base del nuovo gadget. Inoltre, poiché questo ione produce luce a una lunghezza d’onda infrarossa perfetta, non ha bisogno di convertire i segnali, il che può portare a reti più semplici e affidabili.

"Lo sforzo è durato molti anni. Il lavoro ha combinato i progressi nella progettazione fotonica e nella scienza dei materiali", ha affermato Thompson in un comunicato stampa.

Il design del dispositivo ha due componenti, una fetta nanoscopica di silicio che è stata incisa in un canale a forma di J e un cristallo di tungstato di calcio, drogato con un piccolo numero di ioni erbio. Lo ione emette luce attraverso il cristallo quando viene pulsato da un laser unico.

Tuttavia, il componente di silicio, un minuscolo filo semiconduttore attaccato alla punta del cristallo, intrappola e dirige i singoli fotoni nel cavo in fibra ottica.

Il team spiega che, idealmente, l'informazione proveniente dallo ione dovrebbe essere incorporata in questo fotone. O, per essere più precisi, dallo spin dello ione, un attributo quantistico. L’entanglement tra gli spin di nodi distanti verrebbe creato in un ripetitore quantistico raccogliendo e interferendo con i segnali provenienti da tali nodi, consentendo la trasmissione end-to-end di stati quantistici nonostante le perdite di trasmissione.

Il team ha iniziato il lavoro sugli ioni erbio diversi anni prima, ma i cristalli utilizzati nella versione precedente producevano un rumore significativo. "Questo rumore faceva sì che la frequenza dei fotoni emessi saltasse in modo casuale in un processo noto come diffusione spettrale."

Da centinaia di migliaia di potenziali materiali, hanno ridotto l'elenco a poche centinaia, poi a una dozzina, poi a tre. I test per ciascuno dei tre finalisti hanno richiesto sei mesi. Il team si è concentrato sul cristallo di tungstato di calcio per ottenere risultati ideali.

Il team ha utilizzato un interferometro, che unisce due o più fonti di luce per creare uno schema di interferenza, per dimostrare che gli ioni erbio nel nuovo materiale emettono fotoni indistinguibili e che "pongono il segnale ben al di sopra della soglia hi-fi".

Anche se questo studio supera una soglia significativa, il team sta ora lavorando per estendere il periodo in cui gli stati quantistici possono essere immagazzinati nello spin dello ione erbio. Il gruppo sta ora cercando di produrre tungstato di calcio che sia più accuratamente purificato e contenga meno contaminanti che interferiscono con gli stati di spin quantistico.

Lo studio completo è stato pubblicato su Nature il 30 agosto e può essere trovato qui.

Astratto

I difetti atomici nello stato solido sono una componente chiave delle reti di ripetitori quantistici per la comunicazione quantistica a lunga distanza1. Recentemente, c'è stato un notevole interesse per gli ioni delle terre rare, in particolare per l'Er3+, per la transizione ottica della banda di telecomunicazioni che consente la trasmissione a lunga distanza nelle fibre ottiche. Tuttavia, lo sviluppo di nodi ripetitori basati su ioni di terre rare è stato ostacolato dalla diffusione spettrale ottica, precludendo la generazione di fotoni singoli indistinguibili. Qui, impiantiamo Er3+ in CaWO4, un materiale che combina una simmetria del sito non polare, una bassa decoerenza dagli spin nucleari ed è privo di ioni di terre rare di fondo, per realizzare una diffusione spettrale ottica significativamente ridotta. Per ioni impiantati poco profondi accoppiati a cavità nanofotoniche con un grande fattore di Purcell, osserviamo larghezze di linea ottica a scansione singola di 150 kHz e diffusione spettrale a lungo termine di 63 kHz, entrambe vicine alla larghezza di linea radiativa potenziata da Purcell di 21 kHz. Ciò consente l'osservazione dell'interferenza Hong-Ou-Mandel tra fotoni emessi successivamente con una visibilità di V = 80 (4)%, misurata dopo una linea di ritardo di 36 km. Osserviamo anche tempi di rilassamento dello spin T1,s = 3,7 s e T2,s > 200 μs, con quest'ultimo limitato da impurità paramagnetiche nel cristallo invece che da spin nucleari. Ciò rappresenta un notevole passo avanti verso la costruzione di reti di ripetitori quantistici in banda di telecomunicazioni con singoli ioni Er3+.