Quantum Networking at the Speed of Quantum Computation: Kilohertz Entanglement in a Heterogeneous Quantum System

Costruire un computer in grado di risolvere problemi oltre la portata delle macchine odierne richiede un cambiamento fondamentale nel modo in cui pensiamo all'informazione. Invece di bit che sono o zero o uno, queste macchine future utilizzano bit quantistici, o qubit, che possono esistere in una delicata miscela di entrambi gli stati contemporaneamente. Per rendere queste macchine abbastanza potenti da affrontare sfide del mondo reale, gli scienziati non possono fare affidamento su un singolo chip; devono collegare molti piccoli processori tra loro in una vasta rete. La sfida è che connettere questi moduli separati è incredibilmente difficile. La connessione deve essere abbastanza veloce da impedire all'informazione quantistica di svanire, e deve essere abbastanza precisa da garantire che le due estremità del collegamento siano perfettamente sincronizzate. Se la connessione è troppo lenta o troppo soggetta a errori, l'intero sistema crolla prima di poter completare un calcolo.

Per anni, i ricercatori hanno cercato di colmare queste lacune utilizzando la luce. I fotoni, le particelle che compongono la luce, sono eccellenti vettori di informazione perché viaggiano velocemente e interagiscono debolmente con l'ambiente circostante. Tuttavia, inviare un fotone da un processore all'altro è come cercare di catturare una lucciola in un uragano; la maggior parte delle volte, la luce si perde prima di raggiungere la sua destinazione. Questa perdita costringe gli scienziati a riprovare ancora e ancora, il che rallenta l'intero processo fino a renderlo un passo lento. L'obiettivo è sempre stato quello di trovare un modo per far sì che questa connessione avvenga migliaia di volte al secondo, eguagliando la velocità con cui operano gli stessi processori.

Un team di ricercatori ha ora compiuto un passo significativo verso quel traguardo, collegando con successo due tipi molto diversi di sistemi quantistici a una velocità mai raggiunta prima. Hanno connesso un singolo atomo, intrappolato in un vuoto da campi elettrici, con un minuscolo difetto all'interno di un cristallo di diamante. L'atomo funge da processore, mentre il difetto nel diamante serve come unità di memoria. Utilizzando un fascio di luce per colmare il divario tra loro, il team è riuscito a creare un legame speciale chiamato entanglement, in cui i due oggetti distanti diventano così profondamente connessi che lo stato di uno influenza istantaneamente l'altro. Hanno ottenuto questo legame a una velocità media di 1,03 mila volte al secondo, una velocità che corrisponde al tempo di ciclo dei processori che sperano di connettere in futuro.

L'esperimento ha comportato un viaggio accuratamente coreografato per una singola particella di luce. È iniziato con un ione di bario, un singolo atomo di bario, tenuto in una camera a vuoto. I ricercatori hanno eccitato questo atomo con un impulso laser, causando l'emissione di un fotone. Questo fotone trasportava informazioni sullo stato interno dell'atomo, ma non era ancora pronto per viaggiare verso il diamante. Il fotone doveva essere convertito in un colore di luce diverso e la sua informazione doveva essere riscritta in un nuovo formato che il diamante potesse comprendere. Il team ha utilizzato un cristallo speciale per cambiare il colore del fotone e un altro dispositivo per spostare il modo in cui la sua informazione era codificata, trasformandolo da un segnale basato sulla polarizzazione a uno basato sulla temporizzazione.

Una volta che il fotone era pronto, ha viaggiato attraverso fibre ottiche fino a un chip di diamante raffreddato a una temperatura appena superiore allo zero assoluto. All'interno di questo chip si trovava un centro a vacanza di silicio, un tipo specifico di difetto in cui un atomo di silicio occupa un posto normalmente occupato da un atomo di carbonio. Questo difetto agisce come memoria quantistica. Quando il fotone è arrivato, ha interagito con lo spin elettronico del difetto di silicio. Se il fotone è stato riflesso dalla cavità del diamante, significava che l'interazione era avvenuta, e i due sistemi erano ora intrecciati. La rilevazione di questo singolo fotone riflesso ha servito come segnale, o precursore, confermando che la connessione era stata stabilita con successo.

I ricercatori hanno misurato la qualità di questa connessione e l'hanno trovata straordinariamente alta. Le coppie entangled che hanno generato erano corrette circa l'88 percento delle volte. Questo livello di accuratezza è fondamentale perché significa che il collegamento è abbastanza affidabile da essere utilizzato in future reti quantistiche. La velocità di 1,03 mila connessioni al secondo è quattro volte più veloce del record precedente per il collegamento di due ioni intrappolati. Più importante ancora, questo tasso corrisponde a una connessione riuscita ogni millisecondo, che è la stessa velocità alla quale opereranno i futuri processori basati su ioni. Questa sincronizzazione è vitale; se la rete è più lenta del processore, il computer passerà la maggior parte del tempo ad aspettare i dati piuttosto che a computare.

Il successo di questo esperimento si è basato sulla combinazione dei punti di forza di due diverse tecnologie. Lo ione intrappolato è eccellente nell'emettere fotoni rapidamente, ma è difficile raccogliere quei fotoni in modo efficiente. La memoria a diamante, d'altra parte, è molto brava nell'interagire con i fotoni, ma fatica a generarli da sola. Collegando i due, il team ha creato un sistema ibrido in cui lo ione fornisce la velocità e il diamante fornisce l'efficienza. Hanno superato i consueti compromessi utilizzando una configurazione che permetteva loro di raccogliere la luce dallo ione senza posizionare ottiche complesse all'interno della camera a vuoto, e poi rifletterla sulla memoria del diamante con alta precisione.

Sebbene i risultati siano impressionanti, i ricercatori sono chiari nel dire che questa non è la destinazione finale. L'attuale sistema perde ancora alcuni fotoni lungo il percorso, e la fedeltà, ovvero l'accuratezza della connessione, non è ancora perfetta. Il team ha identificato fonti specifiche di errore, come la luce che filtra attraverso i filtri o la memoria che perde il proprio stato prima che la connessione venga confermata. Credono che migliorando la raccolta della luce, raffinando il processo di conversione e utilizzando rilevatori migliori, potranno spingere la velocità ancora più in alto, raggiungendo potenzialmente tassi di cinque mila connessioni al secondo o più.

Questo lavoro dimostra che è possibile costruire una rete quantistica che operi alla velocità dei processori che connette. Dimostra che i sistemi eterogenei, che mescolano diversi tipi di hardware quantistico, possono lavorare insieme efficacemente. Mentre i ricercatori guardano avanti, vedono una strada per collegare molti di questi moduli per creare un computer quantistico su larga scala. Questa architettura potrebbe consentire la distribuzione dell'entanglement attraverso una rete, permettendo ai processori di lavorare insieme su algoritmi complessi. La capacità di teletrasportare stati quantistici da un segnale debole a un processore potente potrebbe anche aprire nuove porte alla sensoristica e alla comunicazione. L'esperimento rappresenta una prova concreta che il collo di bottiglia delle connessioni lente e probabilistiche può essere superato, portando la visione di un internet quantistico distribuito un passo più vicino alla realtà.