Pure dephasing destroys two-photon amplitude, not nonlinear phase

Nella ricerca di un nuovo tipo di computer che utilizzi la luce invece dell'elettricità, gli scienziati stanno cercando modi per far sì che i singoli fotoni, o particelle di luce, interagiscano tra loro. Normalmente, i fasci di luce passano l'uno attraverso l'altro senza interagire, come due auto che percorrono autostrade parallele. Per costruire un processore, tuttavia, i ricercatori hanno bisogno che queste particelle di luce influenzino l'una l'altra, creando un interruttore in grado di accendere o spegnere un segnale in base alla presenza di un altro. Un modo promettente per ottenere ciò è l'uso di un minuscolo atomo artificiale, noto come emettitore quantistico, posizionato all'interno di un canale microscopico che guida la luce. Quando un singolo fotone colpisce questo emettitore, può essere assorbito e riemesso, ma con una svolta cruciale: l'onda della luce ne inverte la forma, trasformando efficacementmente un picco positivo in uno negativo. Questo ribaltamento è un cambiamento specifico della fase della luce, una proprietà che determina come le onde si allineano tra loro. Se questo sistema funzionasse perfettamente, potrebbe servire come blocco fondamentale per le reti quantistiche, permettendo di eseguire calcoli complessi con la luce.

La sfida è che il mondo reale è disordinato. Gli atomi artificiali utilizzati in questi esperimenti sono dispositivi a stato solido, il che significa che sono fatti di materiali che sono in costante movimento e vibrazione a causa del loro ambiente. Queste vibrazioni causano la perdita del ritmo interno dell'atomo, un processo che gli scienziati chiamano defasamento puro. Per anni, i teorici hanno ipotizzato che questa perdita di ritmo avrebbe semplicemente sfumato il delicato ribaltamento di fase, rendendo l'interruttore meno efficace o cambiando l'angolo del ribaltamento. La preoccupazione prevalente era che, man mano che l'ambiente diventava più rumoroso, la tempistica precisa dell'onda luminosa sarebbe deviata, rovinando la porta logica. Questa incertezza è stata un ostacolo importante nella progettazione di reti quantistiche affidabili, poiché gli ingegneri devono sapere se questi componenti resisteranno alle condizioni del mondo reale.

Un team di ricercatori della Queen's University ha ora risolto questa questione con un'indagine teorica precisa. Hanno calcolato esattamente cosa accade a un impulso di luce contenente due fotoni quando colpisce un emettitore rumoroso e vibrante. Il loro lavoro rivela una verità sorprendente: il rumore non sfuma affatto il ribaltamento di fase. Al contrario, il ribaltamento di fase rimane bloccato esattamente allo stesso angolo, indipendentmente da quanto l'emettitore stia vibrando. Il rumore non ruota l'onda; la rende semplicemente più piccola. I ricercatori hanno scoperto che, mentre la forza del segnale che trasporta l'informazione di fase svanisce all'aumentare del rumore ambientale, la direzione di quel segnale rimane perfettamente fissa. La fase è ancorata, non ruotata.

Questa scoperta cambia il modo in cui comprendiamo il fallimento di questi sistemi. Si scopre che il problema non è una perdita della logica corretta, ma una perdita del volume del segnale. I ricercatori hanno dimostrato che il rumore distrugge l'ampiezza, ovvero l'altezza o la forza dell'onda luminosa, piuttosto che la fase, ovvero la tempistica dell'onda. In un mondo perfetto, un singolo fotone e una coppia di fotoni verrebbero entrambi attenuati della stessa quantità se il sistema fosse imperfetto. Tuttavia, lo studio ha scoperto che il rumore li tratta in modo diverso. Il segnale a due fotoni sopravvive al rumore molto meglio del segnale a singolo fotone. Ciò significa che il sistema non diventa solo più silenzioso; cambia il suo carattere. L'equilibrio tra come il sistema gestisce un fotone rispetto a due fotoni si sposta in un modo che non può essere corretto semplicemente regolando le manopole della macchina.

I ricercatori hanno validato le loro scoperte confrontando le loro nuove formule matematiche con un metodo di simulazione diverso e altamente dettagliato che traccia ogni possibile stato del sistema. I due metodi concordavano perfettamente, confermando che le loro nuove formule sono corrette. Hanno anche verificato i loro risultati rispetto alle teorie più vecchie che assumevano l'assenza di rumore, e hanno trovato che il loro nuovo approccio corrispondeva a quei risultati precedenti quando il rumore veniva disattivato. Ciò conferisce loro un'alta fiducia nella precisione della loro descrizione del sistema rumoroso. Una parte chiave del loro lavoro ha comportato la correzione di un errore comune nel modo in cui gli scienziati calcolano il comportamento di due fotoni. I metodi precedenti assumevano che il comportamento di due fotoni potesse essere previsto semplicemente moltiplicando il comportamento di due singoli fotoni. I ricercatori hanno dimostrato che questa ipotesi crolla nel momento in cui viene introdotto il rumore, portando a errori significativi nella previsione di quanti accoppiamenti di fotoni sopravvivano.

Le implicazioni per la costruzione di computer quantistici sono profonde. Poiché la fase rimane esattamente corretta anche quando il segnale si indebolisce, la logica fondamentale dell'interruttore è preservata. Tuttavia, il fatto che la forza del segnale diminuisca e che i singoli e i doppi fotoni siano influenzati in modo diverso significa che gli ingegneri non possono semplicemente trattare il rumore come un indebolimento generale della luce. Devono tenere conto di una distorsione specifica nel modo in cui il sistema gestisce diversi numeri di fotoni. Questa distorsione è una proprietà fissa del materiale e dell'ambiente, il che significa che non può essere eliminata tramite l'addestramento o corretta tramite software. I ricercatori concludono che, sebbene la porta di fase funzioni come previsto in termini di tempistica, il costo è una perdita di contrasto, dove il segnale diventa più difficile da distinguere dallo sfondo. Questa intuizione fornisce una tabella di marcia chiara per le progettazioni future, mostrando che l'attenzione deve spostarsi dal cercare di correggere la fase al gestire la perdita diseguale della forza del segnale.