Svelata in Cina la prima memoria quantistica che registra la forma di un singolo fotone

I fotoni sono i cavalli di battaglia della comunicazione moderna. Attualmente, generalmente trasportano informazioni in impulsi luminosi costituiti da molti fotoni, ma i fisici sono già in grado di utilizzare invece singoli fotoni, codificando i dati nella loro stessa struttura.

Un modo per farlo è usare il momento angolare orbitale del fotone, una misura della sua elicità. Quindi, invece di viaggiare come un'onda piatta ordinaria, il fotone può essere pensato come un'elica con mano sinistra o destra che è attorcigliata a vari gradi.

I fisici possono usare questa manualità e la quantità di torsione per codificare i dati nella forma e nella struttura stessa del fotone stesso. Questo ha grandi vantaggi rispetto al modo in cui i fisici sfruttano i fotoni oggi.

Il modo convenzionale in cui i fisici lo fanno è usare la polarizzazione. Un fotone può avere due distinti stati di polarizzazione: orizzontale o verticale. È semplice creare fotoni in uno stato o nell'altro e utilizzarli per codificare i dati.

Il grande vantaggio del momento angolare orbitale è che un fotone può essere prodotto in un numero infinito di diversi stati di manualità e torsione. Ciò significa che un singolo fotone può trasportare una quantità arbitrariamente grande di informazioni, almeno in linea di principio.

Quindi non sorprende che i ricercatori stiano esplorando con entusiasmo modi per creare e rilevare fotoni con strutture spaziali variabili che possono trasportare informazioni.

Ma quello che gli mancava è un modo per immagazzinare questi fotoni, inclusa la loro forma e struttura dettagliate, e poi rilasciarli di nuovo in seguito.

Oggi, Dong-Sheng Ding e compagni dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina a Hefei affermano di aver risolto questo problema per la prima volta.

Questi ragazzi hanno generato un singolo fotone con una struttura spaziale complessa, immagazzinato quel fotone in una nuvola di atomi di rubidio e poi rilasciato fino a 400 nanosecondi dopo. Nel loro esperimento, confrontano la struttura dei fotoni che escono dalla memoria con la struttura dei fotoni che entrano e dicono che sono più o meno identici. La struttura spaziale del fotone è conservata molto bene, dicono.

Questo è un progresso potenzialmente importante. Altri gruppi hanno fatto tentativi simili per immagazzinare fotoni in questo modo, ma solo usando raggi laser così deboli da contenere probabilmente un singolo fotone in qualsiasi istante. Tuttavia, non c'è modo di essere certi che gli esperimenti coinvolgano sicuramente singoli fotoni.

Dong-Sheng e co migliorano questo aspetto creando i loro fotoni individualmente, utilizzando un processo noto come miscelazione spontanea a quattro onde. Ciò significa che possono essere sicuri che gli esperimenti coinvolgano singoli fotoni piuttosto che un insieme di essi. Riportiamo la prima realizzazione sperimentale di immagazzinare un vero singolo fotone che trasporta un momento angolare orbitale in un insieme atomico freddo, dicono.

La capacità di archiviare e rilasciare singoli fotoni è una delle tecnologie abilitanti per un Internet quantistico. Questi dispositivi di archiviazione quantistica sono la chiave per i router quantistici. Chiaramente, i ricordi che possono preservare la struttura spaziale dei fotoni renderanno questo tipo di router, e Internet che potenzia, molto più flessibile e capace.

Naturalmente, le tecnologie che finiranno per creare l'Internet quantistica del futuro dipenderanno da molti altri fattori, non ultimo dei quali sarà una significativa dose di fortuna. Ma dati i numerosi progressi in quest'area fatti dai laboratori cinesi negli ultimi anni, solo uno sciocco scommetterebbe contro la tecnologia cinese che gioca un ruolo significativo nel modo in cui comunicheremo quantisticamente in futuro.

Rif: http://arxiv.org/abs/1305.2675 : Memoria di immagini quantistiche a livello di singolo fotone basata su insiemi atomici freddi

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