Probabilistic generation of two-mode binomial cat states using cross-Kerr interactions

La tecnologia quantistica si basa su un tipo particolare di elemento fondamentale: uno stato della materia che esiste in due forme molto diverse contemporaneamente. Immaginate un'onda luminosa che è simultaneamente brillante e fioca, o un oggetto meccanico che sta vibrando e allo stesso tempo è immobile. Gli scienziati chiamano questi "stati gatto", un nome preso in prestito da un famoso esperimento mentale su un gatto che è sia vivo che morto finché non viene osservato. Queste sovrapposizioni sono la sala macchine per i futuri computer quantistici e i sensori ultra-precisi. Mentre i ricercatori hanno imparato a creare versioni semplici di questi stati utilizzando un singolo fascio di luce, le versioni più potenti richiedono una disposizione più complessa che coinvolge due fasci perfettamente sincronizzati. La sfida è sempre stata il fatto che la creazione di questi stati a due fasci richiede solitamente l'inizio con un tipo di luce molto specifico e difficile da realizzare che non si comporta come un'onda normale. Questo requisito ha agito come un collo di bottiglia, impedendo a molte potenziali applicazioni di uscire dal laboratorio.

Un team di ricercatori ha ora proposto un nuovo modo per costruire questi stati complessi che elimina la necessità di quei materiali iniziali difficili. Invece di richiedere uno stato iniziale raro ed esotico, il loro metodo utilizza solo onde luminose standard, facili da creare. Il processo si basa su un'interazione specifica tra onde luminose che avviene all'interno di un circuito specializzato fatto di materiali superconduttori. Prestando attenzione al modo in cui queste onde interagiscono e poi eseguendo un tipo specifico di misurazione su una terza onda ausiliaria, i ricercatori possono segnalare quando il desiderato stato a due fasci è stato creato con successo. Il loro lavoro suggerisce che questo metodo non è solo teoricamente solido, ma anche abbastanza robusto da funzionare in condizioni del mondo reale dove l'energia viene costantemente persa nell'ambiente.

Il nucleo di questo nuovo approccio risiede nel modo in cui i ricercatori manipolano la luce all'interno di un circuito superconduttore. In questi circuiti, la luce si comporta come onde intrappolate in minuscoli risonatori. I ricercatori utilizzano una proprietà naturale dei materiali del circuito chiamata "interazione cross-Kerr". Questo effetto causa uno spostamento della quantità di energia di un'onda luminosa a seconda di quanti particelle, o fotoni, sono presenti in un'onda vicina. Sebbene questa interazione avvenga naturalmente in questi dispositivi, i ricercatori hanno progettato un protocollo per sfruttarla. Iniziano preparando tre onde luminose separate. Due sono le onde principali destinate a diventare il finale stato gatto, e la terza è un'onda ausiliaria che funge da messaggero. Tutte e tre iniziano come semplici onde luminose standard, che sono molto più facili da generare rispetto agli stati esotici richiesti dai metodi precedenti.

Una volta posizionate le onde, esse sono lasciate interagire per un tempo preciso. Durante questo intervallo, l'effetto cross-Kerr lega il numero di particelle nelle due onde principali alla fase, o temporizzazione, della terza onda ausiliaria. Pensate all'onda ausiliaria come alla lancetta di un orologio che gira più veloce o più lentamente a seconda di quante particelle sono presenti nelle onde principali. Dopo che l'intervallo di interazione termina, i ricercatori eseguono una misurazione su questa onda ausiliaria. Questa misurazione non distrugge le onde principali; invece, agisce come un filtro. Se il risultato della misurazione rientra in un intervallo specifico, conferma che le due onde principali sono collassate nel complesso stato di sovrapposizione desiderato. Questa conferma è ciò che gli scienziati chiamano "heralding" (annuncio) dello stato. Il processo è probabilistico, il che significa che non ha successo ogni singola volta, ma quando accade, il risultato è uno stato gatto di alta qualità.

I ricercatori hanno analizzato la loro idea utilizzando derivazioni teoriche che includevano la realtà disordinata del mondo fisico. In qualsiasi esperimento reale, la luce fuoriesce dal circuito e l'energia viene persa nell'ambiente, il che di solito rovina gli stati quantistici delicati. Il team ha scoperto che il loro metodo è sorprendentemente resiliente a questa perdita. Hanno derivato che la dimensione dell'onda ausiliaria iniziale è un fattore critico. Se l'onda ausiliaria è troppo piccola, la misurazione non può distinguere chiaramente tra i diversi risultati. Se è troppo grande, l'interazione con l'ambiente causa il degrado dello stato prima che possa essere misurato. Trovando una via di mezzo, hanno identificato una dimensione ottimale per l'onda ausiliaria che bilancia questi effetti contrastanti.

Nella loro analisi, utilizzando parametri che corrispondono agli attuali dispositivi superconduttori, i ricercatori hanno dimostrato di poter generare questi stati gatto a due modi con una fedeltà, o accuratezza, di circa il 95 percento. Questo alto livello di accuratezza è stato raggiunto anche tenendo conto della perdita di fotoni, che è la principale fonte di rumore in questi sistemi. Anche il tasso di successo per la generazione di questi stati è stato significativo, con la probabilità di un'esecuzione riuscita che raggiunge quasi il 50 percento considerando un intervallo di possibili risultati. Questa è una scoperta cruciale perché dimostra che il metodo è abbastanza pratico per le attuali piattaforme sperimentali. I ricercatori hanno inoltre notato che il loro approccio non è limitato a solo due onde; la stessa logica può essere estesa per creare stati più complessi che coinvolgono tre o più onde, aprendo la porta a strutture quantistiche ancora più ricche.

Questo lavoro rappresenta un cambiamento nel modo in cui gli scienziati potrebbero approcciare la creazione di risorse quantistiche. Dimostrando che stati complessi e correttori di errori possono essere costruiti a partire da semplici onde luminose gaussiane, il team ha rimosso un importante ostacolo sperimentale. I metodi precedenti richiedevano di iniziare con uno stato che fosse già preparato perfettamente, il che era spesso la parte più difficile del processo. Questo nuovo protocollo ribalta il problema, utilizzando ingredienti semplici e una misurazione intelligente per svolgere il lavoro pesante. La capacità di generare questi stati con alta fedeltà e senza risorse iniziali esotiche suggerisce che il percorso per costruire computer e sensori quantistici robusti sta diventando più chiaro. I ricercatori hanno fornito un progetto che si basa su componenti standard e interazioni naturali, rendendo il sogno di tecnologie quantistiche su larga scala più vicino alla realtà.