La prima dimostrazione dell'entanglement quantistico a 10 fotoni stabilisce un nuovo record

L'entanglement è lo strano fenomeno in cui le particelle quantistiche diventano così profondamente legate da condividere la stessa esistenza. Una volta rare, le particelle aggrovigliate sono diventate di routine nei laboratori di tutto il mondo.

I fisici hanno imparato come creare un entanglement, trasferirlo da una particella all'altra e persino distillarlo. In effetti, l'entanglement è diventato una risorsa in sé e cruciale per qualsiasi cosa, dalla crittografia al teletrasporto all'informatica e alla simulazione.

Ma rimane un problema significativo. Per eseguire esperimenti sempre più complessi e potenti, i fisici devono produrre entanglement su scale sempre più grandi impigliando più particelle contemporaneamente.

I numeri attuali sono irrisori, però. I fotoni sono i cavalli di battaglia quantistici nella maggior parte dei laboratori e il record per il numero di fotoni entangled è di soli otto, prodotti a una velocità di circa nove eventi all'ora.

L'uso delle stesse tecniche per creare un tasso di conteggio di 10 fotoni si tradurrebbe in solo 170 fotoni all'anno, troppo pochi anche per essere misurati facilmente. Quindi le prospettive di miglioramento sono apparse remote.

Ecco perché il lavoro di Xi-Lin Wang e dei suoi amici all'Università di Scienza e Tecnologia della Cina a Heifu è impressionante. Oggi annunciano di aver prodotto per la prima volta un entanglement di 10 fotoni e lo hanno fatto a una velocità di conteggio che è tre ordini di grandezza superiore a qualsiasi cosa possibile fino ad ora.

Il più grande collo di bottiglia nell'entangling dei fotoni è il modo in cui vengono prodotti. Ciò comporta un processo chiamato conversione spontanea parametrica verso il basso, in cui un fotone energetico viene convertito in due fotoni di energia inferiore all'interno di un cristallo di borato di beta-bario. Questi fotoni figli sono naturalmente entangled.

Facendo zapping continuamente il cristallo con un raggio laser, è possibile creare un flusso di coppie di fotoni entangled. Tuttavia, il tasso di conversione verso il basso è minimo, solo un fotone per trilione. Quindi raccogliere le coppie aggrovigliate in modo efficiente è estremamente importante.

Non è un compito facile, anche perché i fotoni escono dal cristallo in direzioni leggermente diverse, nessuna delle quali può essere facilmente prevista. I fisici raccolgono i fotoni dai due punti in cui è più probabile che appaiano, ma la maggior parte dei fotoni entangled viene persa.

Xi-Lin e colleghi hanno affrontato questo problema riducendo l'incertezza nelle direzioni dei fotoni. Infatti, sono stati in grado di modellare i fasci di fotoni entangled in modo che formino due fasci circolari separati, che possono essere raccolti più facilmente.

In questo modo, il team ha generato coppie di fotoni entangled alla velocità di circa 10 milioni per watt di potenza laser. Questo è più luminoso dei precedenti generatori di entanglement di un fattore di circa quattro. È questo miglioramento che rende possibile l'entanglement di 10 fotoni.

Il loro metodo consiste nel raccogliere cinque coppie di fotoni entangled generate successivamente e passarli in una rete ottica di quattro divisori di raggio. Il team introduce quindi ritardi temporali che assicurano che i fotoni arrivino simultaneamente ai divisori di fascio e quindi si impiglino.

Questo crea lo stato entangled di 10 fotoni, anche se a una velocità di circa quattro all'ora, che è bassa ma finalmente misurabile per la prima volta. Dimostriamo, per la prima volta, l'entanglement genuino e distillabile di 10 singoli fotoni, affermano Xi-Lin e co.

È un lavoro impressionante che apre immediatamente la prospettiva di una nuova generazione di esperimenti. La più eccitante di queste è una tecnica chiamata campionamento di bosoni che i fisici sperano dimostrerà che i computer quantistici sono davvero capaci di cose che i computer classici non sono.

Questo è importante perché nessuno ha costruito un computer quantistico più potente di una calcolatrice tascabile (a parte i controversi risultati D-Wave). Né è probabile che lo faranno nel prossimo futuro. Quindi il campionamento dei bosoni è la più grande speranza dei fisici quantistici che consentirà loro di mostrare per la prima volta la potenza sbalorditiva del calcolo quantistico.

Diventano possibili anche altre cose, come il teletrasporto quantistico di tre gradi di libertà in un singolo fotone e esperimenti multi-fotone su distanze molto lunghe.

Ma è la possibilità del campionamento dei bosoni che manderà un brivido attraverso la comunità della fisica quantistica.

Rif: arxiv.org/abs/1605.08547 : Entanglement sperimentale a dieci fotoni

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