Trapped-ion-based quantum repeater node across a 17 km metropolitan fiber
Questo articolo dimostra un nodo ripetitore quantistico a ioni intrappolati che stabilisce con successo l'entanglement fotonico con una fedeltà dello stato di Bell dell'81,6% su 17 km di fibra metropolitana, provando la fattibilità dell'operatività di tale tecnologia sulle esistenti infrastrutture su scala cittadina.
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Il sogno di una rete internet quantistica globale si basa su un'idea semplice ma difficile: inviare informazioni quantistiche delicate attraverso vaste distanze senza perderle. Nel mondo classico, inviamo dati sotto forma di impulsi di luce attraverso cavi a fibra ottica e, se il segnale diventa troppo debole, lo amplifichiamo semplicemente. Ma l'informazione quantistica è diversa. È codificata negli stati fragili di singole particelle, e le leggi della fisica ci proibiscono di copiare o amplificare questi stati senza distruggerli. Per costruire una rete che si estenda tra città o continenti, gli scienziati devono utilizzare una strategia diversa chiamata ripetitore quantistico. Invece di cercare di inviare un singolo segnale per tutto il percorso, la rete viene suddivisa in segmenti più brevi. Ad ogni sosta, un dispositivo speciale crea un legame di "entanglement" — una connessione profonda e invisibile tra particelle — tra se stesso e i suoi vicini. Collegando questi segmenti, la rete può estendere la connessione attraverso l'intera distanza. La sfida è stata quella di costruire queste stazioni ripetitrici utilizzando infrastrutture del mondo reale piuttosto che solo in ambienti di laboratorio controllati dove le condizioni sono perfette.
Un team di ricercatori a Innsbruck, in Austria, ha compiuto ora un passo importante verso la realizzazione di questa realtà. Hanno costruito un nodo ripetitore quantistico funzionante utilizzando ioni intrappolati — singoli atomi tenuti in posizione da campi elettrici — e lo hanno collegato a un cavo a fibra ottica che attraversa una città reale. L'esperimento ha previsto l'invio di segnali quantistici attraverso un tratto di 17 chilometri di fibra municipale esistente che si snoda attraverso Innsbruck e verso un sobborgo. Questo rappresenta un distacco significativo rispetto agli esperimenti precedenti, che tipicamente utilizzavano brevi bobine di fibra conservate all'interno di un laboratorio. I ricercatori hanno dimostrato che il loro dispositivo era in grado di stabilire con successo un legame quantistico tra un fotone rilevato in città e un altro fotone rilevato nel loro laboratorio, provando che questa tecnologia può funzionare al di fuori della sicurezza di un ambiente controllato.
Il cuore del loro dispositivo è una piccola camera contenente due ioni di calcio. Questi ioni fungono da memoria e da processore per la rete. I ricercatori hanno utilizzato i laser per manipolare gli oni, facendo sì che emettessero singoli fotoni, che sono particelle di luce. Uno di questi fotoni è stato inviato attraverso una fibra corta a un rilevatore locale, mentre l'altro è stato convertito in un colore di luce diverso, adatto al viaggio a lunga distanza, ed è stato inviato attraverso il cavo cittadino di 17 chilometri a un rilevatore remoto. Il sistema funzionava ripetendo il tentativo di invio del fotone finché uno non veniva rilevato con successo all'estremità opposta. Una volta rilevati entrambi i fotoni, i ricercatori hanno eseguito una misurazione specifica sui due ioni all'interno del laboratorio. Questa misurazione, nota come misurazione dello stato di Bell, ha effettivamente scambiato la connessione, creando un entanglement diretto tra i due fotoni che non si erano mai incontrati, uno dei quali aveva viaggiato attraverso la città.
I risultati hanno mostrato che il sistema funzionava con un'alta affidabilità. Il team ha misurato la qualità della connessione tra i due fotoni e ha riscontrato una fedeltà dell'81,6 percento, il che significa che lo stato quantistico è stato preservato con un alto grado di precisione nonostante il viaggio attraverso il cavo del mondo reale. Questo livello di prestazione conferma che la tecnologia a ioni intrappolati è abbastanza robusta da gestire le imperfezioni delle infrastrutture implementate. I ricercatori hanno anche analizzato attentamente la fibra stessa, misurando come la polarizzazione della luce cambiasse durante il tragitto e quanta parte del rumore di fondo proveniente dai lampioni stradali o da altre fonti filtrasse nel cavo. Hanno scoperto che, sebbene la fibra introducesse una certa perdita di segnale e cambiamenti lenti nell'orientamento della luce, tali effetti potevano essere gestiti e corretti. Il rumore di fondo è stato filtrato con successo, garantendo che i segnali rilevati provenissero realmente dai loro ioni e non da interferenze esterne.
Questo esperimento non pretende di aver risolto tutti i problemi di una rete quantistica globale, ma prova un punto critico: la tecnologia può operare nel mondo reale e disordinato. I ricercatori hanno osservato che il tasso di successo era limitato principalmente dall'efficienza della loro attrezzatura e dalle perdite nelle connessioni della fibra, piuttosto che da un difetto fondamentale del metodo. Hanno osservato che la memoria all'interno degli ioni ha mantenuto l'informazione quantistica abbastanza a lungo da completare il processo, nonostante i lievi ritardi causati dalla distanza. Lo studio suggerisce che, con ulteriori miglioramenti nell'efficienza della generazione di fotoni e nella qualità dei filtri, la velocità di queste connessioni potrebbe aumentare significativamente. Il lavoro fornisce un modello concreto su come le future reti quantistiche potrebbero essere costruite utilizzando l'ampia rete esistente di cavi a fibra ottica che già attraversano le nostre città, invece di richiedere un'infrastruttura fisica completamente nuova.
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