Gli ioni di terre rare potrebbero spianare la strada a reti e memorie quantistiche
Le tecnologie quantistiche fanno uso di alcuni strani aspetti della fisica quantistica per codificare e trasferire informazioni. Si tratta della sovrapposizione quantistica (in cui le particelle possono esistere simultaneamente in due diversi stati quantistici (qubit)) e dell’intrappolamento quantistico in cui le particelle condividono il loro stato quantico in un modo impossibile nei sistemi classici. I qubit sono entità delicate che devono essere attentamente isolate dalle forze esterne. Altrimenti, la fragile sovrapposizione si decomporrà in uno stato di calcolo tradizionale: uno o zero. I sistemi atomici, come gli elementi delle terre rare nei nanocristalli, offrono un modo per generare qubit con livelli molto bassi di rumore e quindi mantenere la coerenza quantistica richiesta per le applicazioni quantistiche. «Gli ioni di terre rare nei materiali sfusi possono conservare a lungo la coerenza ottica e di spin. Abbiamo dimostrato che questa proprietà unica è ampiamente preservata su scala nanometrica», spiega Philippe Goldner, coordinatore del progetto NanOQTech, finanziato dall’UE. Per testare la loro teoria, i ricercatori hanno sintetizzato cristalli di diverse dimensioni drogati con europio, praseodimio ed erbio e misurato i tempi di coerenza dei loro stati quantici ottici e di spin. Il team ha riportato, tra l’altro, i tempi di coerenza ottica più lunghi, vale a dire 3 µs e 6 µs, per cristalli drogati con europio di dimensioni rispettivamente di 60 nm e 100 nm.
Gli ioni di terre rare vedono la luce
L’obiettivo principale di NanOQTech era quello di costruire dispositivi quantistici ibridi su scala nanometrica che si accoppiassero in modo efficiente alla luce. «Grazie ai lunghi tempi di coerenza dei loro stati quantistici, i qubit di terre rare accoppiati a microcavità possono funzionare come sistemi quantistici ibridi, con diverse potenziali applicazioni nella scienza delle informazioni quantistiche», osserva Goldner. Per essere utili nelle applicazioni quantistiche, gli ioni delle terre rare e le microcavità devono essere mantenuti a temperature molto basse (criogeniche). Il team del progetto ha raggiunto un accoppiamento efficiente tra alcuni ioni di terre rare e una microcavità basata su fibre in criostati a ciclo chiuso. L’esperimento dei ricercatori di NanOQTech ha dimostrato il potenziale per raggiungere la comunicazione ottica con un singolo ione di terre rare all’interno della microcavità basata su fibre, un fenomeno di notevole interesse per la memorizzazione di informazioni quantistiche. Sebbene il progetto non sia riuscito a rilevare un singolo ione nella cavità, ha analizzato il modo in cui un forte effetto Purcell (fattori Purcell fino a 150) ha migliorato l’interazione ottica con 10 ioni di terre rare. In definitiva, i ricercatori del progetto hanno fabbricato sistemi ibridi che possono interagire con gli ioni delle terre rare e quindi potrebbero sfruttare le proprietà quantistiche trasferite per abilitare nuove funzionalità. «Gli ioni di terre rare possono formare un’interfaccia quantistica tra luce e altri sistemi, nel nostro caso plasmoni di grafene e oscillatori meccanici», osserva Goldner. Il progetto ha istituito nanostrutture drogate con terre rare come nuova piattaforma per le tecnologie ottiche quantistiche. Le nanoparticelle sviluppate durante NanOQTech hanno dimostrato tempi di coerenza senza pari dei loro stati quantici ottici e di spin. Il lavoro del progetto apre la strada alla costruzione di reti quantistiche che trasmettono informazioni attraverso qubit a stato solido. Rispetto ai qubit a stato solido basati su difetti simili agli atomi nei punti diamante o quantici, i qubit di terre rare vivono più a lungo, sono più stabili e hanno un forte potenziale come sistemi quantistici scalabili.
Parole chiave
NanOQTech, ioni di terre rare, coerenza, qubit a stato solido, rete quantistica, spin, stato quantico, microcavità basata su fibra, memorizzazione di informazioni quantistiche, grafene, risonatori meccanici
