Waveguide-array-based multiplexed photonic interface for atom array

Il futuro di Internet potrebbe dipendere da un nuovo tipo di connessione, una che non si basi sull'invio di bit di informazione attraverso fili di rame o fibre di vetro, ma sull'invio dell'essenza stessa della materia. Questo è il regno della rete quantistica, un campo dedicato al collegamento di computer quantistici affinché possano risolvere problemi troppo vasti per essere gestiti da una singola macchina. Per costruire una tale rete, gli scienziati hanno bisogno di un modo per collegare bit quantistici stazionari, che fungono da memoria e processori, con particelle di luce volanti che trasportano l'informazione tra di essi. La sfida risiede nella scala enorme richiesta; una rete quantistica utile deve gestire molte connessioni contemporaneamente, non solo una. Immaginate di cercare di costruire un sistema autostradale in cui ogni auto debba essere guidata perfettamente nella propria corsia specifica senza mai toccare l'auto accanto a sé. Se le corsie sono troppo vicine, le auto si scontrano, confondendo le delicate informazioni che trasportano. Per anni, i ricercatori hanno lottato per guidare la luce da molteplici sorgenti quantistiche separate in canali distinti senza questa interferenza, un ostacolo che ha mantenuto le reti quantistiche su larga scala fuori portata.

In una recente scoperta, un team di ricercatori ha dimostrato una soluzione pratica a questo problema creando un'interfaccia specializzata che guida la luce da una serie di atomi in una fitta griglia di canali ottici. Gli scienziati hanno lavorato con una fila di singoli atomi di rubidio, raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto e tenuti in posizione da fasci di luce invisibili. Questi atomi agiscono come processori quantistici, capaci di generare singole particelle di luce, o fotoni, che sono entanglement (intrecciate) con lo stato dell'atomo stesso. L'obiettivo era catturare questi fotoni e guidarli in un dispositivo basato su chip contenente trentadue canali separati, assicurando che il fotone di uno specifico atomo andasse solo nel suo canale designato e non in quelli vicini. I ricercatori sono riusciti a guidare i fotoni da dieci diversi atomi in dieci canali separati all'interno di questa griglia, dimostrando che è possibile gestire più connessioni quantistiche simultaneamente senza che i segnali si mescolino tra loro.

L'esperimento si è svolto all'interno di una camera a vuoto dove gli atomi di rubidio erano intrappolati in una linea monodimensionale, distanziati di soli 7,5 micrometri l'uno dall'altro. Per catturare la debole luce emessa da questi atomi, il team ha utilizzato un sistema di lenti ad alta potenza che ha ingrandito l'immagine della serie di atomi e l'ha proiettata su un chip di vetro. Questo chip, noto come circuito fotonico integrato, presentava una densa serie di guide d'onda — minuscoli canali scavati nel vetro che agiscono come tunnel per la luce. La spaziatura tra questi canali era di 25 micrometri, una distanza scelta con cura per corrispondere all'immagine ingrandita degli atomi. Utilizzando un sistema controllato dal computer per regolare la posizione degli atomi con estrema precisione, i ricercatori si sono assicurati che ogni atomo si trovasse perfettamente davanti alla sua corrispondente guida d'onda. Questo allineamento era critico; anche un minimo spostamento avrebbe fatto sì che la luce mancasse il bersaglio o traboccasse nel canale errato.

Una volta ottimizzato l'allineamento, il team ha testato il sistema eccitando gli atomi e misurando la luce che emergeva dall'altro lato del chip. Hanno scoperto che i fotoni di ciascuno dei dieci atomi sono stati guidati con successo nei rispettivi canali, con un'efficienza di accoppiamento netta stimata tra lo 0,3% e l'1,2%. Sebbene gli autori caratterizzino l'attuale efficienza di raccolta come relativamente bassa, il sistema ha dimostrato con successo la capacità di instradare molteplici segnali. Più importante ancora, hanno misurato il "crosstalk", ovvero la quantità di luce che accidentalmente è trapelata da un canale nell'altro. I risultati hanno mostrato che questa dispersione era trascurabile, il che significa che il sistema poteva mantenere i dieci diversi segnali quantistici completamente separati. Questo livello di isolamento è essenziale per una rete quantistica funzionale, poiché garantisce che l'informazione inviata da un nodo non venga corrotta dai segnali di un nodo vicino. I ricercatori hanno anche verificato che la luce conservasse le sue proprietà quantistiche, specificamente il legame tra lo stato interno dell'atomo e la polarizzazione, o orientamento, dell'onda luminosa. Misurando la polarizzazione dei fotoni, hanno confermato che la connessione tra l'atomo e la luce rimaneva intatta durante il passaggio attraverso la guida d'onda, una condizione necessaria per creare i legami di entanglement che alimentano una internet quantistica.

La significatività di questo lavoro va oltre il successo immediato di guidare dieci fotoni. La tecnologia utilizzata qui si basa su un chip di vetro che può essere fabbricato con alta precisione, offrendo una via scalabile per costruire reti più ampie. Sebbene l'attuale esperimento abbia utilizzato dieci canali su tutti i trentadue disponibili sul chip, i ricercatori hanno osservato che l'attuale spaziatura di 7,5 µm tra gli atomi è maggiore dell'intervallo di porte di Rydberg dimostrate, che tipicamente operano a distanze di 5 µm o inferiori. Tuttavia, suggeriscono che l'utilizzo di stati di Rydberg altamente eccitati potrebbe consentire porte ad alta fedeltà a distanze maggiori, permettendo potenzialmente al sistema di essere collegato direttamente a un processore quantistico a serie di atomi di Rydberg. Questo approccio offre un vantaggio distinto rispetto ai metodi precedenti che si affidavano a lenti ingombranti e fibre ottiche, poiché il chip integrato fornisce una piattaforma compatta e stabile che può essere prodotta in massa. Per la comunicazione quantistica a lunga distanza, dove i segnali devono essere inviati attraverso vaste distanze, la capacità di inviare molti segnali in parallelo è cruciale. Senza questa capacità parallela, la velocità della rete sarebbe limitata dal tempo necessario per inviare un singolo segnale e attendere una conferma, un ritardo che diventa proibitivo su lunghe distanze.

Questa dimostrazione rappresenta un passo chiave verso la realizzazione di un'architettura di calcolo quantistico distribuito, dove molteplici processori quantistici sono collegati tra loro per funzionare come una singola, potente macchina. Dimostrando che una densa serie di atomi può essere accoppiata efficientemente a una serie di guide d'onda senza interferenza di segnale, il team ha rimosso un importante collo di bottiglia nello sviluppo delle reti quantistiche. Il sistema ha collegato con successo il mondo microscopico degli atomi intrappolati con il mondo macroscopico dei cavi in fibra ottica, fornendo un'interfaccia affidabile per i futuri dispositivi quantistici. Sebbene l'attuale configurazione sia un prototipo di laboratorio, i principi dimostrati qui sono direttamente applicabili alla costruzione di reti quantistiche reali. La capacità di generare e guidare molteplici legami di entanglement simultaneamente apre la porta a una nuova era della comunicazione, in cui l'informazione quantistica può essere distribuita in una rete con la velocità e la capacità richieste dalla prossima generazione di computing.