Un team di scienziati del Max Planck Institute ha realizzato la prima rete quantistica elementare basata sull'interfacciamento tra singoli atomi e fotoni (quanto della radiazione elettromagnetica). Si tratta di un traguardo importante per l'intero movimento scientifico che sta lavorando sui quanti e le loro applicazioni all'interno di un nuovo tipo d'informatica.
Oggi comunichiamo su Internet o via telefono tramite reti sofisticate che trasmettono dati ad alta velocità tra differenti nodi. Realizzare reti analoghe per lo scambio d'informazioni quantistiche finora è stata una sfida per diverse ragioni, che vanno dall'entrare in rotta di collisione con quesiti fondamentali della fisica, fino all'applicazione in comunicazioni sicure, simulazione di sistemi complessi o per calcolo quantistico distribuito.
Uno dei prerequisiti per reti quantistiche funzionanti sono nodi stazionari che permettono lo scambio reversibile d'informazioni quantistiche. Un gruppo di scienziati guidati dal professor Gerhard Rempe ha fatto una grande scoperta, cioè ha permesso a due nodi composti da un singolo atomo di scambiarsi un'informazione quantistica attraverso singoli fotoni. "Quest'approccio alla rete quantistica è particolarmente promettente perché fornisce una chiara prospettiva di scalabilità ", ha dichiarato il professor Rempe.
La memoria a lungo termine più piccola per un'informazione quantistica è un singolo atomo, mentre i fotoni rappresentano i messaggeri perfetti. Il trasferimento efficiente di un'informazione tra un atomo e un fotone, però, richiede una forte interazione tra i due che non si può ottenere con atomi in uno spazio libero.
Gli atomi sono i nodi della rete quantistica, i fotoni trasportano le informazioni.
Il gruppo di scienziati ha lavorato a sistemi nei quali l'atomo si trova in una "cavità ottica" composta da due specchi molto vicini. Questo permette di dirigere i fotoni emessi dall'atomo stesso verso altri nodi, in modo controllato.
Un fotone che entra nella cavità viene riflesso tra gli specchi diverse migliaia di volte e l'interazione atomo-fotone ne esce rafforzata. Così l'atomo può assorbire il fotone in modo coerente e con un'efficienza elevata.
Per prima cosa gli scienziati hanno dovuto intrappolare l'atomo in modo quasi permanente nella cavità . Il passo successivo è stato raggiungere una singola emissione di fotoni controllata dall'atomo. E, dulcis in fundo, gli studiosi hanno potuto dimostrare che questo sistema rappresenta l'interfaccia perfetta per archiviare l'informazione codificata trasferendo dati su un secondo fotone.
Quanto realizzato rappresenta una pietra miliare sulla strada verso una rete quantistica su larga scala. Per la prima volta, due sistemi di questo genere sono stati collegati c'è stato uno scambio di informazioni con efficienza e fedeltà . I due sistemi, ciascuno rappresentato da un nodo di rete, sono installati in due laboratori collegati tramite un cavo da 60 metri in fibra ottica.
Lo scambio d'informazioni corrette tra un nodo A e uno B della rete avviene tenendo presente la polarizzazione del fotone.
Rappresentazione schematica dell'esperimento
"Siamo stati in grado di provare che gli stati quantistici si possono trasferire molto meglio rispetto a qualsiasi rete classica. Abbiamo dimostrato la fattibilità dell'approccio teorico del professor Cirac", ha dichiarato il dottor Stephan Ritter. Gli scienziati sono anche riusciti a generare un entanglement quantistico tra i due nodi della rete. Si tratta di "un fenomeno quantistico, in cui ogni stato quantico di un insieme di due o più sistemi fisici dipende dallo stato di ciascun sistema, anche se essi sono spazialmente separati. Viene a volte reso in italiano con il termine non-separabilità ".
"Abbiamo realizzato il primo prototipo di rete quantistica", ha dichiarato Stephan Ritter. "Abbiamo raggiunto uno scambio reversibile d'informazione quantistica tra i nodi. Inoltre possiamo generare un entanglement remoto tra i due e mantenerlo per circa 100 microsecondi, mentre la generazione dell'entanglement richiede solo un microsecondo. L'entanglement di due sistemi ad ampia distanza è un fenomeno affascinante di per sé, ma potrebbe servire come risorsa per teletrasportare un'informazione quantistica. Un giorno questo potrebbe non solo permettere di comunicare un'informazione quantistica su distanze molto elevate, ma consentire di creare un'intera Internet quantistica".
Per ora si tratta comunque di un semplice prototipo e ci sarà molto da lavorare per migliorare il funzionamento di questa soluzione. Ad esempio, il trasferimento dello stato quantistico è stato realizzato con successo solo lo 0,2 percento delle volte, a causa di varie inefficienze e limitazioni tecniche.