Multiplexed ion-ion entanglement over $1.2$ kilometer fibers
Questo articolo presenta la prima dimostrazione di entanglement annunciato (heralded) potenziato dal multiplexing tra due nodi quantistici a ioni intrappolati su 1,2 km di fibra, ottenendo un'accelerazione del tasso di generazione di 4,59 volte e una fedeltà del 95,9% attraverso l'uso di 10 modi fotonici temporali.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo
Il sogno di un internet quantistico si basa su una singola, fragile connessione: la capacità di collegare due macchine distanti in modo che condividano uno stato segreto, un fenomeno noto come entanglement. Immaginateate due monete che, indipendentemente da quanto siano lontane, cadono sempre su lati opposti quando vengono lanciate; nel mondo quantistico, le particelle possono essere collegate in questo modo, formando la spina dorsale per tecnologie future come la comunicazione inattaccabile e potenti computer distribuiti. Tuttavia, costruire questa rete è incredibilmente difficile perché il segnale che trasporta la connessione si indebolisce e si perde mentre viaggia attraverso i cavi in fibra ottica, specialmente su lunghe distanze. Per far funzionare questi collegamenti, gli scienziati devono creare la connessione in modo rapido e affidabile prima che il segnale svanisca, una sfida che ha a lungo limitato la scala degli esperimenti quantistici a configurazioni locali e piccole.
Un team di ricercatori dell'Università Tsinghua ha ora compiuto un passo significativo in avanti dimostrando un metodo per accelerare questo processo utilizzando una tecnica chiamata multiplexing. Sono riusciti a creare un collegamento entangled tra due nodi quantistici a ioni intrappolati separati da 1,2 chilometri di fibra ottica. Nel loro esperimento, gli scienziati hanno utilizzato ioni di calcio, ovvero singoli atomi tenuti in posizione da campi elettromagnetici, come nodi quantistici. Ogni nodo conteneva uno ione e i ricercatori hanno impiegato una strategia intelligente per superare la lentezza della luce e la bassa probabilità di una connessione riuscita. Invece di cercare di creare il collegamento una volta sola e aspettare per vedere se funzionava, hanno inviato dieci tentativi rapidi e successivi in un unico round. Questo approccio ha dato loro efficacementmente dieci possibilità di successo dove precedentemente ne avevano solo una, accelerando significamente la velocità con cui l'entanglement veniva stabilito.
L'allestimento prevedeva due posizioni distinte, chiamate Alice e Bob, situate a 2 metri di distanza nel laboratorio ma collegate a una stazione di misurazione centrale tramite 60oc metri di fibra su ciascun lato, creando un percorso totale di 1,2 chilometri. Il processo è iniziato eccitando gli ioni con impulsi laser, causando l'emissione di fotoni, o particelle di luce. Questi fotoni hanno viaggiato attraverso le fibre fino al centro, dove sono stati misurati. Se i rilevatori al centro vedevano un particolare schema di luce, ciò segnalava che i due ioni distanti erano diventati entangled. Poiché la velocità della luce limita la rapidità con cui le informazioni possono viaggiare avanti e indietro, i ricercatori hanno dovuto attendere il segnale di conferma per sapere se un tentativo fosse andato a buon fine. Utilizzando dieci modalità temporali, o dieci distinti slot temporali per questi tentativi, sono riusciti ad aumentare la velocità di generazione di queste connessioni di un fattore di 4,59 rispetto all'uso di un singolo tentativo alla volta.
I risultati non erano solo più veloci; erano anche straordinariamente accurati. Il team ha misurato la qualità dell'entanglement e ha riscontrato una fedeltà del 95,9 percento, il che significa che la connessione era estremamente vicina allo stato teorico perfetto. Questo livello di precisione è degno di nota perché è stato raggiunto su una distanza molto più lunga dei record precedenti per questo tipo di sistema, che erano stati limitati a poche centinaia di metri. I ricercatori hanno anche confermato che gli ioni potevano mantenere questo stato quantistico per centinaia di millisecondi, una durata sufficiente per eseguire ulteriori operazioni. Questa durabilità è cruciale per scalare la rete, poiché permette al sistema di elaborare informazioni e correggere errori.
Questo lavoro rappresenta la prima volta che tale multiplexing è stato utilizzato per migliorare l'entanglement tra ioni intrappolati su un lungo collegamento in fibra. Sebbene esperimenti precedenti con altri tipi di materiali avessero mostrato miglioramenti simili, questo studio dimostra che il metodo funziona per gli ioni, che sono noti per la loro alta stabilità e precisione. I ricercatori hanno utilizzato un design a doppio tipo per i loro nodi, separando la parte dello ione utilizzata per la comunicazione dalla parte utilizzata per la memoria, una caratteristica che permetterà loro di aggiungere più ioni e qubit in futuro senza interrompere il sistema. Combinando questa architettura con la tecnica di multiplexing, il team ha creato un blocco costruttivo robusto per una rete quantistica più grande. Le scoperte suggeriscono che, con ulteriori affinamenti per ridurre il rumore tecnico, come l'instabilità del laser o gli errori di fase, la fedeltà potrebbe potenzialmente superare il 99 percento, portando la visione di un internet quantistico su larga scala e funzionale un passo più vicino alla realtà.
Sommerso dagli articoli nel tuo campo?
Ricevi digest giornalieri degli articoli più recenti corrispondenti alle tue parole chiave di ricerca — con riassunti tecnici, nella tua lingua.