Long-lived quantum memories with rare-earth ions doped in crystals

Immaginate un mondo in cui l'informazione non è trasportata da correnti elettriche nei fili, ma da singole particelle di luce. Queste particelle, note come fotoni, sono i messaggeri ideali per un nuovo tipo di internet che promette una sicurezza incrollabile e una potenza di calcolo senza precedenti. Tuttavia, la luce ha un difetto fatale: non può essere fermata. Una volta che un fotone viene inviato lungo un cavo in fibra ottica, viaggia finché non viene perso o assorbito. Non può aspettare. Questo rende impossibile la costruzione di una rete globale, perché i segnali si indeboliscono con la distanza e, a differenza di un segolo tradizionale che può essere copiato e amplificato, un segnale quantistico non può essere copiato senza distruggere la sua delicata informazione. Per risolvere questo problema, gli scienziati hanno bisogno di un modo per catturare un fotone in volo, tenerlo fermo e rilasciarlo più tardi esattamente com'era. Questo dispositivo è chiamato memoria quantistica. Agisce come un tasto pausa per la luce, permettendo alla rete di sincronizzare le sue operazioni ed estendere la sua portata attraverso i continenti.

Per anni, i ricercatori hanno cercato il materiale perfetto per fungere da questo tasto pausa. Avevano bisogno di qualcosa di solido, facile da costruire e capace di mantenere uno stato quantistico per un lungo periodo senza che svanisse. Un candidato promettente è emerso dal mondo dei cristalli: gli ioni a terre rare. Si tratta di atomi di elementi come l'europio o il praseodimio che sono stati incorporati in un reticolo cristallino. La cosa unica di questi atomi è che i loro strati esterni agiscono come uno scudo, proteggendo i loro elettroni interni dall'ambiente rumoroso del cristallo. Questa protezione permette loro di mantenere il proprio stato quantistico per periodi sorprendentemente lunghi. Eppure, anche con questo scudo naturale, l'ambiente interferisce comunque. Piccole fluttuazioni nei campi magnetici, causate dal movimento casuale degli atomi nel cristallo o dal campo magnetico terrestre, fanno sì che l'informazione memorizzata si rimescoli e scompaia.

Un team di ricercatori della University of Science and Technology of China ha compiuto ora un grande passo avanti nel domare questa interferenza. In una revisione completa di esperimenti recenti, descrivono come i ricercatori siano riusciti a estendere la vita di queste memorie quantistiche da secondi a minuti, e in alcuni casi, a ore. La chiave di questo successo risiede in due strategie ingegnose. In primo luogo, hanno identificato una specifica intensità di campo magnetico in cui gli atomi diventano naturalmente immuni al rumore magnetico. È come se gli atomi trovassero un "punto ottimale" in cui la spinta e la trazione magnetica si annullano perfettamente. In secondo luogo, quando gli atomi iniziano comunque a deviare, i ricercatori applicano una rapida serie di impulsi a radiofrequenza. Questi impulsi agiscono come una leggera spinta, riallineando costantemente gli atomi prima che possano perdere la strada, congelando efficacementmente l'informazione al suo posto.

I risultati di questo lavoro sono misurati in tre modi distinti, ognuno dei quali rappresenta un diverso livello di difficoltà. La prima misura è il "tempo di coerenza dello spin", che è semplicemente quanto tempo gli atomi possono mantenere il loro allineamento quantistico prima di iniziare ad allontanarsi l'uno dall'altro. Utilizzando cristalli drogati con ioni di europio e applicando il punto ottimale magnetico insieme agli impulsi di riallineamento, i ricercatori hanno raggiunto un tempo di coerenza record di quasi sei ore. Ciò significa che gli atomi sono rimasti sincronizzati per una durata molto più lunga di qualsiasi esperimento precedente con questo tipo di materiale.

La seconda misura è il "tempo di archiviazione della luce". Questa è la durata per la quale un effettivo fascio di luce può essere catturato, immagazzinato come una vibrazione all'interno degli atomi e poi rilasciato nuovamente come luce. In esperimenti precedenti con ioni di praseodimio, gli scienziati sono riusciti a memorizzare la luce per circa 42 secondi. Passando a cristalli di europio più stabili e utilizzando un metodo di archiviazione diverso che si basa su un particolare schema di livelli di energia atomica, i ricercatori hanno esteso questo tempo a oltre 52 minuti. Hanno dimostrato che un impulso di luce poteva essere trattenuto per quasi un'ora e poi recuperato con il suo schema d'onda intatto, provando che l'informazione non era stata rimescolata.

La sfida più difficile, e quella che ci avvicina di più a un internet quantistico funzionante, è il "tempo di archiviazione quantistica". Questo comporta la memorizzazione non solo di un fascio di luce luminoso, ma di una singola particella di luce, o un singolo fotone. Memorizzare un singolo fotone è incredibilmente difficile perché il processo deve essere così efficiente e silenzioso da non aggiungere alcun rumore extra, altrimenti il singolo fotone andrebbe perduto nel fruscio di fondo. I tentativi precedenti faticavano a mantenere un singolo fotone per più di pochi millisecondi. Tuttavia, combinando il punto ottimale magnetico, gli impulsi di riallineamento e un nuovo metodo che evita la creazione di rumore extra durante il processo di archiviazione, i ricercatori guidati da Lv et al. sono riusciti a memorizzare input a livello di singolo fotone per oltre 27 secondi. A questa durata, il fotone memorizzato manteneva la sua natura quantistica, dimostrando che non si trattava solo di un segnale classico ma di una vera memoria quantistica.

Questi traguardi non sono solo pietre miliari teoriche; indicano un futuro pratico. I ricercatori osservano che questi cristalli sono compatibili con la tecnologia esistente, il che significa che potrebbero essere integrati in piccoli dispositivi. Ciò apre la porta alle "memorie quantistiche trasportabili", dove un dispositivo contenente una memoria quantistica potrebbe essere caricato su un camion, un drone o un satellite per trasportare l'informazione quantistica tra città distanti o persino attraverso lo spazio. La capacità di mantenere uno stato quantistico per un'ora significa che un veicolo potrebbe percorrere centinaia di chilometri mantenendo l'informazione al sicuro, colmando i vuoti che i cavi in fibra ottica non possono attraversare. Sebbene rimangano delle sfide, come migliorare l'efficienza della cattura della luce e rendere l'attrezzatura più piccola, questo lavoro stabilisce che le memorie a stato solido a lunga durata non sono più un sogno lontano ma una realtà tangibile.