A Cavity-Interfaced Register of Trapped-Ion Qubits with Multi-Second Coherence

Il sogno di una internet quantistica si basa su una premessa semplice ma difficile: connettere computer distanti che parlano la lingua della meccanica quantistica. Per costruire una tale rete, gli scienziati hanno bisogno di nodi — piccole stazioni isolate — che possano memorizzare informazioni quantistiche fragili per tutto il tempo necessario a inviare un messaggio tra di essi. Questi nodi devono essere in grado di catturare un fotone, una singola particella di luce, e mantenere la connessione che esso trasporta senza che l'informazione svanisca. La sfida è che gli stati quantistici sono notoriamente instabili; tendono a collassare o a perdere le loro proprietà speciali quasi istantaneamente quando vengono disturbati dal loro ambiente. Affinché una rete funzioni, la memoria all'interno di questi nodi deve durare più del tempo necessario per generare la connessione successiva. Se la memoria svanisce prima che il collegamento successivo venga stabilito, la rete non può crescere.

I ricercatori dell'Università di Innsbruck hanno compiuto un passo significativo verso la risoluzione di questo problema, creando un nuovo tipo di memoria quantistica in grado di conservare l'informazione per diversi secondi. Hanno utilizzato una catena di cinque ioni di calcio, ovvero singoli atomi intrappolati in un vuoto da campi elettrici, e li hanno posizionati all'interno di una cavità ottica specializzata, progettata per catturare e dirigere la luce. In questa configurazione, uno ione funge da comunicatore, generando un fotone che trasporta un pezzo di informazione quantistica, mentre gli altri quattro ioni fungono da banca di memoria, conservando l'entanglement generato da quello ione co-intrappolato anziché ricevere informazioni dall'esterno. Il team ha dimostrato di poter mantenere intatto lo stato quantistico di questi ioni di memoria per fino a cinque secondi, una durata che è di ordini di grandezza superiore rispetto a quanto precedentemente possibile in sistemi simili basati su cavità. Questo traguardo dimostra che è possibile combinare l'alta efficienza dell'interazione luce-materia con la stabilità a lungo termine richiesta per una rete quantistica reale.

L'esperimento è iniziato raffreddando i cinque oni di calcio vicino allo zero assoluto e intrappolandoli in una linea. I ricercatori hanno poi utilizzato un laser per preparare gli ioni in uno stato quantistico specifico. Per proteggere questi stati dal rumore naturale dell'ambiente, come le minuscole fluttuazioni dei campi magnetici, hanno applicato una tecnica chiamata disaccoppiamento dinamico (dynamical decoupling). Questo comporta l'impiego di una rapida serie di impulsi a radiofrequenza sugli ioni, capovolgendo efficacementamente i loro stati quantistici avanti e indietro in un modo che annulla i disturbi esterni. Facendo ciò, il team ha esteso la vita dell'informazione quantistica memorizzata negli ioni. Nei test in cui non veniva generata luce, un singolo ione ha mantenuto il proprio stato con alta fedeltà per cinque secondi. Quando il team ha testato tutti e cinque gli ioni insieme, ha scoperto che ognuno di essi performava bene quanto il singolo ione, mantenendo l'informazione quantistica per l'intera durata. Ciò ha confermato che il metodo funziona per un registro, o un piccolo gruppo, di qubit, non solo per uno isolato.

Il passaggio successivo è stato testare se questa memoria potesse sopravvivere al processo di creazione effettiva di una connessione. I ricercatori hanno programmato uno dei cinque oni per generare un fotone che avrebbe trasportato un collegamento quantistico verso una posizione distante. Questo processo prevede l'impiego di un laser sull'ione per fargli emettere un fotone nella cavità. Il team voleva vedere se l'atto di generare questo fotone, e i laser necessari per farlo, avrebbe danneggiato l'informazione quantistica memorizzata negli altri quattro oni. Hanno ripetuto il tentativo di generazione del fotone migliaia di volte monitorando contemporaneamente la salute degli ioni di memoria. Hanno scoperto che la memoria rimaneva robusta, mantenendo il proprio stato quantistico anche dopo migliaia di tentativi. L'unico fattore che ha causato il degrado della memoria è stato un tipo specifico di interferenza laser, noto come crosstalk, in cui una minuscola quantità di luce laser destinata allo ione comunicatore colpiva accidentalmente gli ioni di memoria. Modellando questo effetto, i ricercatori hanno dimostrato che il degrado era prevedibile e poteva essere gestito, piuttosto che rappresentare un difetto fondamentale del sistema.

Forse il risultato più sorprendente è stata la capacità di conservare un collegamento tra uno ione e un fotone per un lungo periodo. Il team ha generato una coppia entangled, dove lo stato dello ione era legato allo stato di un fotone, e ha poi memorizzato la parte dello ione di quella coppia nella memoria. Hanno atteso due secondi prima di misurare nuovamente lo ione. Anche dopo questo lungo ritardo, il legame tra lo ione e il fotone rimaneva forte, provando che la memoria aveva preservato con successo l'entanglement. Questo è un traguardo cruciale perché dimostra che il sistema può mantenere una connessione abbastanza a lungo da eseguire operazioni di rete complesse, come attendere un segnale da un nodo distante o eseguire calcoli prima di inviare il messaggio successivo. I ricercatori hanno calcolato che, con miglioramenti modesti, come un migliore focalizzamento del laser e un raffreddamento periodico degli ioni, il loro sistema potrebbe stabilire più connessioni tra due località remote simultaneamente.

Il lavoro ha anche identificato i limiti specifici dell'attuale configurazione. Sebbene la memoria fosse incredibilmente resiliente, i ricercatori hanno scoperto che l'efficienza della generazione dei fotoni diminuiva leggermente nel tempo man mano che gli ioni si riscaldavano a causa degli impulsi laser. Hanno determinato che questo riscaldamento poteva essere risolto aggiungendo ioni extra alla catena per aiutare a raffreddare il sistema senza disturbare la memoria. Inoltre, hanno dimostrato che il crosstalk del laser, che era la principale fonte di errore, poteva essere minimizzato allontanando leggermente gli ioni di memoria dallo ione comunicatore o utilizzando lenti migliori per focalizzare il laser in modo più stretto. Si tratta di sfide ingegneristiche piuttosto che di barriere fisiche fondamentali, suggerendo che la strada da percorrere è chiara.

Questa ricerca rappresenta un passaggio dagli esperimenti su singolo qubit alla creazione di piccoli moduli funzionali che possono essere collegati tra loro. La capacità di memorizzare l'informazione quantistica per secondi mentre si tenta attivamente di costruire una rete è un prerequisito per scalare i computer quantistici. I risultati del team suggeriscono che una rete di questi moduli ione-cavità potrebbe eventualmente supportare la creazione simultanea di più coppie entangled tra località distanti. Ciò permetterebbe la teletrasporto di stati quantistici complessi e la purificazione delle connessioni su lunghe distanze, formando l'ossatura di una futura internet quantistica. Dimostrando che un sistema integrato con cavità può raggiungere una coerenza di diversi secondi e una memoria robusta, i ricercatori hanno fornito un modello concreto su come le reti quantistiche possano essere costruite nel mondo reale.