A solid-state quantum memory based on a continuous optoacoustic system

Per costruire un futuro in cui l'informazione viaggi istantaneamente e in modo sicuro in tutto il mondo, gli scienziati hanno bisogno di un modo per fermare la luce. Nel mondo quantistico, l'informazione è spesso trasportata da singole particelle di luce, ma queste particelle si muovono alla velocità della luce e svaniscono se colpiscono qualcosa. Per elaborare questi dati o inviarli su lunghe distanze, i ricercatori hanno bisogno di una "memoria" in grado di catturare un fotone volante, tenerlo fermo per un momento e poi rilasciarlo esattamente com'era. Non si tratta solo di salvare un file; si tratta di preservare i delicati e invisibili pattern degli stati quantistici che rendono possibili tecnologie come la comunicazione inattaccabile e il rilevamento ultra-preciso. La sfida è stata trovare un materiale che possa catturare queste particelle fugaci senza distruggerne la natura quantistica, pur essendo allo stesso tempo abbastanza veloce da gestire il ritmo rapido dei dati moderni.

Un team di ricercatori ha proposto un nuovo metodo per risolvere questo problema utilizzando un pezzo solido di vetro o cristallo che agisce come un'autostrada continua sia per la luce che per il suono. Invece di cercare di intrappolare la luce in una piccola scatola isolata, il che limita la quantità di informazione che può essere memorizzata in una volta, il loro approccio utilizza una guida d'onda sottile, dove le onde di luce e di suono viaggiano insieme. In questo sistema, un impulso di luce laser funge da ponte, convertendo un fotone viaggiante in un'onda sonora viaggiante, nota come fonone, e poi di nuovo in luce. Questo processo si basa su un'interazione specifica chiamata scattering di Brillouin, in cui l'energia di un fotone viene scambiata con l'energia di un'onda sonora. I ricercatori hanno dimostrato che, coordinando attentamente queste interazioni, possono mappare uno stato quantistico dalla luce al suono, lasciarlo lì per un breve periodo e poi recuperarlo nuovamente come luce, il tutto senza la necessità delle temperature estreme, vicine allo zero assoluto, solitamente richieste per un lavoro così delicato.

Il cuore di questa proposta è un processo in due fasi che funziona come un interruttore reversibile. Per prima cosa, un forte impulso di luce laser entra nella guida d'onda e incontra un segnale debole che trasporta l'informazione quantistica. Questa interazione costringe il segnale a trasformarsi in un'onda sonora che viaggia lungo il materiale. Il segnale è ora memorizzato come una vibrazione all'interno del mezzo solido. Dopo un ritardo programmabile, un secondo impulso laser arriva per invertire il processo, trasformando l'onda sonora di nuovo in un impulso luminoso che trasporta l'informazione originale. Poiché il sistema utilizza onde viaggianti anziché particelle intrappolate in una cavità, può gestire una gamma molto ampia di frequenze contemporaneamente. Ciò significa che la memoria può memorizzare molti segnali simultaneamente, una caratteratura cruciale per la scalabilità delle reti quantistiche.

I ricercatori hanno utilizzato simulazioni informatiche dettagliate per testare quanto bene questo sistema funzionerebbe con materiali del mondo reale. Hanno modellato il comportamento delle onde luminose e sonore sotto varie condizioni, inclusi diversi livelli di temperatura e di intensità dell'interazione. I loro risultati indicano che il sistema può memorizzare e recuperare stati quantistici complessi, come la luce "squeezed" (schiacciata), dove il rumore nel segnale è ridotto al di sotto del limite standard, con un'altissima precisione. Anche a temperature di un Kelvin, che è solo un grado sopra lo zero assoluto ma molto più calda delle temperature millikelvin spesso necessarie per i dispositivi quantistici, la memoria ha mantenuto l'informazione quantistica con un'alta fedeltà. Le simulazioni hanno mostrato che il sistema poteva operare efficacemente per tempi di archiviazione di decine di nanosecondi, un tempo sufficiente per elaborare dati per molte applicazioni avanzate.

Una scoperta chiave di questo lavoro è che il sistema non richiede che le onde sonore siano raffreddate al loro stato di energia più basso prima che l'informazione venga memorizzata. In molti sistemi quantistici, qualsiasi calore residuo o vibrazione nel materiale distrugge la delicata informazione quantistica. Tuttavia, poiché questo protocollo si basa su uno scambio rapido e coerente tra luce e suono, la memoria rimane robusta anche se le onde sonore non sono perfettamente fredde. I ricercatori hanno scoperto che, finché l'interazione tra luce e suono è sufficientemente forte, il sistema può superare il rumore termico di fondo. Ciò suggerisce che la tecnologia potrebbe essere molto più facile da costruire e operare rispetto ad approcci precedenti, poiché non richiede le attrezzature di raffreddamento più estreme.

Lo studio ha anche esplorato quanto bene la memoria preservi l'entanglement, un fenomeno in cui due particelle rimangono legate indipendentemente dalla distanza tra loro. Nelle simulazioni, una metà di una coppia entangled è stata inviata nella memoria, mentre l'altra metà è stata mantenuta all'esterno come riferimento. Dopo che la prima metà è stata memorizzata come un'onda sonora e poi recuperata come luce, il legame tra le due particelle è rimasto intatto. Le simulazioni hanno mostrato che la forza di questa connessione, nota come negatività, è rimasta sufficientemente alta da confermare che la natura quantistica della coppia era stata preservata. Ciò dimostra che il sistema è in grado di gestire le forme più fragili di informazione quantistica, non solo segnali semplici.

La memoria proposta è progettata per lavorare con una larghezza di banda di centinaia di megahertz, permettendole di elaborare una grande quantità di dati in parallelo. Questo rappresenta un miglioramento significativo rispetto ai sistemi che si affidano a modi discreti e isolati, che possono gestire un'unica frequenza alla volta. Utilizzando un mezzo continuo, i ricercatori hanno dimostrato che il sistema può memorizzare informazioni attraverso uno spettro ampio di frequenze simultaneamente. Questa capacità apre la porta all'elaborazione di segnali quantistici multimodali, dove molti diversi canali di informazione possono essere gestiti contemporaneamente. Le simulazioni hanno suggerito che, con la tecnologia attuale, tali guide d'onda con specifiche proprietà ottiche, il sistema potrebbe ottenere questi risultati utilizzando impulsi laser con potenze di picco realizzabili in un ambiente di laboratorio.

Sebbene i risultati presentati si basino su modelli teorici e simulazioni, essi indicano una via pratica per la costruzione di memorie quantistiche scalabili. I ricercatori hanno osservato che, in esperimenti reali, il tempo di archiviazione potrebbe potenzialmente essere ulteriormente esteso se il materiale utilizzato presenta perdite meccaniche inferiori, il che accade spesso a temperature più basse. Hanno inoltre sottolineato che la capacità del sistema di operare a temperature sub-Kelvin, piuttosto che richiedere ambienti criogenici profondi, lo rende un candidato più pratico per l'integrazione nelle future reti quantistiche. Il lavoro identifica un tipo specifico di sistema optoacustico come una piattaforma promettente per la prossima generazione di tecnologie quantistiche, offrendo un modo per memorizzare ed elaborare l'informazione basata sulla luce con velocità, capacità e affidabilità.