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Un salto di memoria quantistica
Negli ultimi anni, i fisici hanno escogitato numerosi modi per utilizzare le stranezze della meccanica quantistica per trasmettere ed elaborare informazioni.
Ora un team di ricercatori ha annunciato un passo importante verso l'utilizzo di queste informazioni quantistiche: il trasferimento spettrale dello stato quantistico di un singolo ione a un altro a un metro di distanza. Poiché gli ioni possono memorizzare uno stato quantistico per molti secondi, questo schema per il teletrasporto quantistico potrebbe guadagnare tempo sufficiente per manipolazioni che consentono comunicazioni a lunga distanza immuni alle intercettazioni o per calcoli che sfruttano la meccanica quantistica per eseguire calcoli velocissimi.
Per trasferire una piccola informazione quantistica da un sistema di dimensioni atomiche a un altro, i due sistemi devono iniziare nella condizione quantistica chiamata entanglement. I sistemi entangled danno sempre risposte corrispondenti, come due monete che, sebbene singolarmente imprevedibili, escono sempre una testa e una croce. I fisici hanno teletrasportato lo stato tra i fotoni di luce entangled, ma sfortunatamente non possono memorizzare le informazioni quantistiche per molto tempo. Recentemente, altri ricercatori hanno teletrasportato lo stato quantico molto più longevo dei singoli ioni, ma solo quando erano intrappolati molto vicini tra loro.
Per trasferire informazioni quantistiche persistenti su distanze maggiori, Chris Monroe e il suo gruppo presso l'Università del Maryland ha collaborato con Luming Duan presso l'Università del Michigan per intrappolare e raffreddare due singoli ioni itterbio. Il team ha codificato le informazioni quantistiche mescolando due stati che differiscono solo per il momento angolare del nucleo. A differenza del valore 0 o 1 di un bit nell'informatica ordinaria, i ricercatori possono creare una miscela arbitraria dei due stati nucleari, nota come qubit, sottoponendo gli ioni a microonde. Una volta formato, uno ione trattiene questa miscela per diversi secondi, abbastanza a lungo da eseguire calcoli che agiscono su entrambi i valori contemporaneamente.
Estendendo una tecnica che il team di Monroe ha dimostrato nel 2007, i ricercatori hanno esposto entrambi gli ioni a un impulso di luce ultracorto, portando ciascuno a uno stato di energia più elevata. Ogni ione è quindi tornato al suo stato originale emettendo un fotone. Misurare il colore di questo fotone avrebbe lasciato lo ione in uno dei due stati nucleari. Ma invece, i ricercatori hanno appena testato se i due fotoni fossero di colori diversi. Dal momento che non hanno determinato quale colore provenisse da quale ione, vedere questo risultato ha lasciato gli ioni in uno stato entangled che includeva entrambe le possibilità.
Teletrasmettimi: Ognuna delle due camere cilindriche (sinistra e destra) contiene un singolo atomo. I tubi neri in primo piano vengono utilizzati per l'immagine di ogni atomo. Le fibre ottiche che incanalano singoli fotoni da ciascun atomo sono opposte ai tubi, sul lato sinistro dell'immagine, ricoperte di carta nera. I fotoni interferiscono all'interno della grande scatola rettangolare nera a sinistra.
Per eseguire il teletrasporto, i ricercatori hanno preparato lo ione sinistro in uno stato quantico arbitrario, quindi hanno ripetutamente eliminato gli ioni con impulsi laser fino a quando non hanno visto le coppie di fotoni di colore opposto che annunciavano lo stato entangled. Hanno rapidamente misurato in quale stato nucleare si trovava lo ione di sinistra, distruggendo nel processo la sua miscela quantistica. Ma l'entanglement fa apparire una miscela strettamente correlata nello ione di destra. I ricercatori lo hanno trasformato in una versione teletrasportata dello stato originale manipolandolo in uno dei due modi, a seconda dello stato misurato per lo ione sinistro.
Questa è la prima realizzazione del teletrasporto quantistico tra due atomi remoti, osserva Myungshik Kim della Queen's University Belfast, nell'Irlanda del Nord, che non è stata coinvolta nel lavoro. È una tecnica abbastanza intelligente.
Un problema è che occorrono quasi 100 milioni di impulsi laser, circa 10 minuti, per ottenere una singola coppia intrecciata. Per essere utile per ulteriori esperimenti, questo numero deve essere migliorato di circa 1.000 volte, principalmente raccogliendo più fotoni emessi. Lo schema per il teletrasporto tra ioni distanti potrebbe consentire ripetitori quantistici che consentono la trasmissione a lunga distanza di informazioni quantistiche, osserva Monroe. Inoltre, afferma che è adatto per un approccio sempre più studiato al calcolo quantistico che inizia con un gran numero di qubit entangled.