Una svolta per la comunicazione quantistica a lunga distanza
Le tecnologie quantistiche offrono vari percorsi di sperimentazione e innovazione. Grazie a una fusione di competenze a livello concettuale e tecnico, il progetto ErBeStA ha sviluppato componenti d’avanguardia per le tecnologie quantistiche ottiche, ampliando le potenzialità delle coppie di particelle luminose entangled per la comunicazione quantistica. L’obiettivo generale di ErBeStA era quello di apportare un contributo decisivo per concretizzare la grande visione di un «Internet quantistico». Una componente chiave per la realizzazione di computer quantistici ottici e di ripetitori quantici efficienti, strumenti essenziali per la comunicazione quantistica a lunga distanza, è rappresentata dalla presenza di un analizzatore ottico dello stato di Bell a prova di errore. La costruzione di un dispositivo di tal genere, che sia in grado di misurare lo stato di una coppia di fotoni in una base in stato entangled, ha sempre costituito una sfida per gli scienziati quantistici. Questo compito richiede in particolare la non linearità ottica a livello di singoli fotoni, che viene raggiunta attraverso un forte accoppiamento tra la luce e gli specifici emettitori di tali fotoni. Nell’ambito di ErBeStA sono stati utilizzati tre diversi sistemi di emettitori di singoli fotoni: atomi freddi, superatomi di Rydberg ed emettitori quantistici a stato solido. Per ottenere un forte accoppiamento con i campi di luce si è ricorso all’impiego della nanofotonica.
Varcare i confini della nanofotonica
«Nel corso del progetto abbiamo conseguito una serie di importanti risultati nel settore delle reti quantistiche e della circuiteria ottica avanzata», afferma Arno Rauschenbeutel, coordinatore del progetto e docente presso l’Università Humboldt di Berlino. ErBeStA ha dato avvio allo sviluppo di varie novità, quali tipologie migliorate di sorgenti di luce quantistica, elementi ottici non reciproci (ossia elementi che trattano la luce in modo diverso quando si propagano in avanti o indietro), fotorilevatori per il calcolo del numero di fotoni ed emettitori di singoli fotoni. Tutti questi progressi sono fondamentali per le tecnologie ottiche (quantistiche). Per quanto concerne la nanofotonica, sono state sviluppate diverse tecnologie volte alla fabbricazione di guide d’onda di dimensioni nanometriche in grado di consentire interazioni tra luce e materia migliorate. Al di là del puro interesse scientifico, tali soluzioni rappresentano una componente cruciale per varie applicazioni innovative di nuova concezione, quali i dispositivi di rilevamento quantistico o i commutatori ottici il cui funzionamento si basa sull’azione di un singolo atomo. «Siamo convinti del fatto che, nel futuro, queste strutture apriranno nuove opportunità per le scienze e le tecnologie quantistiche», aggiunge Rauschenbeutel.
Soluzioni incisive e rivoluzionarie per le tecnologie quantistiche
Per far progredire il campo delle tecnologie quantistiche compatte, sono stati sviluppati e implementati sistemi spettroscopici e laser di distribuzione della luce stampati in 3D congiuntamente alle prime camere a vuoto stampate in tal modo. «Questi sistemi stampati potrebbero costituire una soluzione per l’uso diffuso e il vasto impatto che si prevede caratterizzeranno le tecnologie quantistiche destinate alle applicazioni di rilevamento. Inoltre, essi si rivelano promettenti per segnalare un chiaro percorso di miniaturizzazione e funzionalità ampliata», spiega Rauschenbeutel. A livello concettuale, ErBeStA ha compiuto nuove scoperte che risultano applicabili alle tecnologie future e a nuove direzioni di ricerca. Grazie a uno studio teorico degli emettitori atomici accoppiati a una guida d’onda, i ricercatori hanno confermato le potenzialità di cui sono dotati i sistemi di guide d’onda ed emettitori integrati per l’esplorazione di fenomeni quantistici collettivi e la generazione di stati squeezed per una metrologia potenziata dal punto di vista quantistico. Gli scienziati hanno inoltre studiato la propagazione della luce e le non linearità nei superatomi di Rydberg, riuscendo a dimostrare il modo in cui questi ultimi possono essere usati per effettuare operazioni di smistamento dei fotoni (ovvero la separazione degli impulsi luminosi che contengono due fotoni da quelli che ne contengono solamente uno) e come ciò consentirà la realizzazione di un analizzatore dello stato di Bell senza la necessità di elementi non reciproci. Per di più, il team ha sviluppato un nuovo approccio che si avvale di serie atomiche bidimensionali (i cosiddetti «specchi quantistici») per consentire uno smistamento dei fotoni e un’analisi dello stato di Bell di tipo deterministico. I meccanismi concepiti presentano attualmente gli unici metodi deterministici applicabili in un quadro di funzionamento passivo, ossia senza disporre di conoscenze precedenti in merito al momento di arrivo dei fotoni.
Parole chiave
ErBeStA, analizzatore dello stato di Bell, emettitori quantistici, comunicazione quantistica a lunga distanza, nanofotonica, tecnologia quantistica
