Nodi di rete quantistici con atomi caldi

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Una particella di luce proveniente dalla sorgente di fotoni singoli (in basso) v

Una particella di luce proveniente dalla sorgente di fotoni singoli (in basso) viene immagazzinata nella cella di vapore (in alto). Una seconda particella luminosa emessa nello stesso momento viene registrata da un sensore (a destra), che attiva l’impulso laser di controllo e quindi il processo di memorizzazione.

Le reti di comunicazione hanno bisogno di nodi in cui le informazioni vengono elaborate o reindirizzate. I fisici dell’Università di Basilea hanno sviluppato un nodo per reti di comunicazione quantistica in grado di immagazzinare singoli fotoni in una cella di vapore e di inoltrarli successivamente.

Nelle reti di comunicazione quantistica, le informazioni vengono trasmesse da singole particelle di luce (fotoni). Ai nodi di una rete di questo tipo sono necessari elementi tampone in grado di immagazzinare l’informazione quantistica contenuta nei fotoni per un breve periodo e poi rilasciarla nuovamente.

I ricercatori dell’Università di Basilea guidati dal Prof. Philipp Treutlein hanno sviluppato una memoria quantistica basata su un gas atomico in una cella di vetro. Gli atomi non devono essere raffreddati in modo particolare, il che rende la memoria facile da produrre e versatile nell’uso, ad esempio nei satelliti. Inoltre, i ricercatori hanno realizzato una sorgente a singolo fotone con la quale hanno potuto testare la qualità e il tempo di immagazzinamento della memoria quantistica. I risultati sono stati appena pubblicati sulla rivista PRX Quantum.

Atomi caldi in celle di vapore

Gli atomi caldi nelle celle di vapore sono stati studiati per la loro idoneità come elementi di immagazzinamento quantistico per vent’anni", dice Gianni Buser, che ha lavorato all’esperimento come dottorando. Con questa luce classica, il numero di fotoni che colpiscono la cella di vapore in un certo tempo è statisticamente distribuito: in media c’è un solo fotone, ma a volte ce ne sono due, tre o addirittura nessuno.

Per testare la memoria quantistica con la "luce quantistica" - cioè sempre con un solo fotone - Treutlein e i suoi colleghi hanno sviluppato appositamente una sorgente a singolo fotone che emette esattamente una particella di luce. Il momento esatto in cui ciò avviene è annunciato da un secondo fotone, che viene sempre emesso esattamente nello stesso momento del primo. Questo permette di attivare la memoria quantistica al momento giusto.

Il singolo fotone viene quindi diretto nella memoria quantistica, dove più di un miliardo di atomi di rubidio, con l’aiuto di un raggio laser di controllo, vengono spostati dal fotone in un cosiddetto stato di sovrapposizione di due possibili livelli energetici degli atomi. Il fotone stesso scompare, ma l’informazione che contiene si trasforma negli stati di sovrapposizione degli atomi. Con un breve impulso di luce dal laser di controllo, queste informazioni possono essere lette dopo un certo tempo di memorizzazione e riconvertite in fotoni.

Riduzione delle interferenze durante la lettura

Un punto critico del processo è stato finora l’interferenza, cioè la luce aggiuntiva generata durante la lettura che comprometteva la qualità del fotone", spiega Roberto Mottola, anch’egli dottorando nel laboratorio di Treutlein. Con l’aiuto di alcuni trucchi, i fisici sono riusciti a ridurre questa interferenza a tal punto che, dopo tempi di conservazione di diverse centinaia di nanosecondi, la qualità del singolo fotone era ancora elevata.

Questi tempi di immagazzinamento non sono molto lunghi e non li abbiamo ancora ottimizzati per questo lavoro", dice Treutlein, "ma sono già più di cento volte più lunghi della durata dell’impulso di un fotone immagazzinato". Ciò significa che la memoria quantistica dei ricercatori di Basilea può già essere utilizzata per compiti interessanti. Ad esempio, può essere utilizzato per sincronizzare tra loro singoli fotoni prodotti in modo casuale e utilizzarli per varie applicazioni di informazione quantistica.

Pubblicazione originale

Gianni Buser, Roberto Mottola, Björn Cotting, Janik Wolters e Philipp Treutlein Single-Photon Storage in a Ground-State Vapor Cell Quantum Memory PRX Quantum (2022). doi: 10.1103/PRXQuantum.3.020349


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