Performance of a Hot Rb Vapour-Based Portable Quantum Memory

Il futuro di Internet potrebbe dipendere da un dispositivo capace di catturare una singola particella di luce, tenerla ferma per un momento e poi rilasciarla di nuovo senza romperla. Oggi la nostra rete globale si affida a cavi a fibra ottica che trasportano informazioni sotto forma di impulsi di luce, ma mentre questi segnali viaggiano, sbiadiscono e si indeboliscono. Nel mondo classico, gli ingegneri risolvono questo problema utilizzando amplificatori per potenziare il segnale, ma le regole della fisica quantistica vietano questa pratica. A causa di una legge fondamentale che impedisce la copia perfetta di stati quantistici sconosciuti, questi fragili segnali non possono essere amplificati senza distruggere le informazioni stesse che trasportano. Per costruire un internet quantistico che funzioni su lunghe distanze, gli scienziati devono invece utilizzare dei "ripetitori" che agiscano come stazioni di rilancio. Queste stazioni necessitano di un tipo speciale di memoria capace di memorizzare temporaneamente uno stato quantistico, attendendo che il collegamento successivo nella catena sia pronto, e poi rilasciare l'informazione su comando. La sfida consiste nel costruire queste memorie in modo che siano piccole, robuste e possano operare senza richiedere un freddo estremo o enormi quantità di energia, rendendole adatte a un impiego nel mondo reale.

In uno studio recente, i ricercatori si sono posti l'obiettivo di testare un dispositivo commerciale e portatile progettato esattamente a questo scopo. Il team, lavorando con un sistema basato su vapore di rubidio caldo, ha indagato quanto bene questa "memoria quantistica" potesse memorizzare e recuperare impulsi di luce in diverse condizioni. Il dispositivo utilizza una nuvola di atomi di rubidio, riscaldati a temperature facilmente controllabili, per intrappolare la luce. Calibrando attentamente la temperatura del vapore e la temporizzazione degli impulsi luminosi, i ricercatori hanno misurato tre metriche critiche di prestazione: quanto tempo la memoria poteva trattenere la luce prima che svanisse, quanto fosse efficiente il recupero del segnale memorizzato e quanto chiaramente il segnale potesse essere distinto dal rumore di fondo. Hanno inoltre calcolato il tasso di errore, che misura quanto spesso il sistema potrebbe interpretare erroneamente i dati. L'obiettivo era vedere se questa tecnologia portatile potesse soddisfare i rigorosi standard già stabiliti per le reti a fibra ottica classiche che alimentano il nostro attuale internet.

I ricercatori si sono concentrati su un tipo specifico di interazione chiamata trasparenza indotta elettromagneticamente. In termini semplici, questo è un processo in cui vengono utilizzati due fasci laser per rendere una nuvola di atomi normalmente opaca trasparente a un impulso di luce specifico. Un fascio funge da controllo, mentre l'altro trasporta l'informazione. Quando il fascio di controllo è attivo, gli atomi permettono al fascio informativo di passare. Spegnendo il fascio di controllo mentre l'impulso informativo si trova all'interno della nuvola, la luce viene effettivamente fermata e conservata sotto forma di un modello di eccitazioni atomiche. Per recuperare l'informazione, il fascio di controllo viene riattivato, rilasciando l'impulso luminoso. Il team ha testato questo processo utilizzando un sistema commerciale, montabile in rack, riempito di gas di rubidio, riscaldando la cella a varie temperature comprese tra 60 e 90 gradi Celsius. Hanno inviato impulsi di luce e misurato quanto del segnale originale tornava fuori dopo diversi tempi di conservazione, che variavano da pochi microsecondi a diverse centinaia.

I risultati hanno rivelato un delicato equilibrio tra temperatura e prestazioni. Man mano che i ricercatori aumentavano la temperatura del vapore, gli atomi si muovevano più velocemente. Sebbene ciò aumentasse il numero di atomi disponibili per interagire con la luce, introduceva anche più rumore e causava un indebolimento più rapido delle informazioni memorizzate. Lo studio ha rilevato che la memoria poteva trattenere la luce per la durata più lunga alla temperatura più bassa testata, ovvero 60 gradi Celsius, dove il segnale rimaneva coerente per circa 278 microsecondi. Tuttavia, l'efficienza del sistema — ovvero quanta parte della luce originale veniva recuperata con successo — non seguiva lo stesso schema. Il sistema ha ottenuto le migliori prestazioni a 70 gradi Celsius, dove ha recuperato la più alta percentuale di luce memorizzata. Quando i ricercatori hanno esaminato il rapporto segnale-rumore, una misura di quanto il segnale recuperato fosse pulito rispetto al disturbo di fondo, hanno riscontrato la prestazione migliore alla temperatura più alta di 90 gradi Celsius.

Forse più significativamente, il team ha tradotto queste misurazioni fisiche nel linguaggio delle telecomunicazioni standard. Hanno calcolato il tasso di errore dei bit, che ci dice quanti errori commetterebbe il sistema se stesse trasmettendo dati digitali. Per un sistema che sia utile in una rete reale, questo tasso di errore deve essere estremamente basso. Lo studio ha dimostrato che, a temperature superiori a 60 gradi Celsius e per tempi di conservazione fino a 50 microsecondi, il dispositivo produceva tassi di errore ben al di sotto della soglia richiesta dalle moderne reti di telecomunicazione. In effetti, per tempi di conservazione brevi, il sistema ha raggiunto tassi di errore inferiori a uno su dieci miliardi, un livello di affidabilità che corrisponde agli standard dell'odierno internet classico. I ricercatori hanno osservato che, sebbene il sistema operi a una lunghezza d'onda di 795 nanometri, che non è lo standard per la fibra ottica a lunga distanza, la tecnologia potrebbe essere adattata per lavorare con l'infrastruttura esistente attraverso tecniche di conversione della lunghezza d'onda.

Il lavoro suggerisce che le memorie quantistiche portatili basate su vapori atomici caldi non sono solo concetti teorici, ma si stanno avvicinando ai livelli di prestazione necessari per un uso pratico. Lo studio non ha individuato una singola temperatura "perfetta" per tutti i compiti; ha invece identificato una finestra operativa in cui diverse finalità di prestazione potevano essere soddisfatte. Se la priorità è trattenere il segnale per un lungo periodo, una temperatura più bassa è preferibile. Se l'obiettivo è recuperare il segnale con la massima efficienza o la migliore qualità, le temperature più alte sono preferibili. Questa flessibilità è un passo avanti cruciale, indicando che questi dispositivi possono essere calibrati per adattarsi alle esigenze specifiche di una rete quantistica. Dimostrando che un sistema portatile a vapore caldo può soddisfare i rigorosi parametri della comunicazione classica, i ricercatori hanno tracciato una via chiara verso l'integrazione della memoria quantistica nell'internet del futuro, colmando il divario tra gli fragili stati quantistici e le robuste reti che connettono il nostro mondo.