Un singolo chip ottico può misurare una sorgente di fotoni, aprendo a nuovi sviluppi quantici
Un team pluridisciplinale ha creato un metodo efficiente per misurare i qudit, una sorta di sorgente di fotoni, su un singolo chip ottico, utilizzando le risorse sperimentali e computazionali già disponibili. Nonostante la parola “qudit” possa sembrare un errore di battitura, questo parente meno noto del qubit, o bit quantico, ha la capacità di trasportare più dati ed è più resistente al rumore, due caratteristiche fondamentali necessarie per migliorare le prestazioni delle reti quantistiche, dei sistemi di distribuzione delle chiavi quantistiche e, infine, dell’internet quantistico.
A differenza dei tradizionali bit di computer, che classificano i dati come uno o zero, i qubit possono contenere valori di uno, zero o entrambi. Ciò è dovuto alla sovrapposizione, un fenomeno che consente l’esistenza simultanea di diversi stati quantistici. La “d” di qudit si riferisce alla varietà di livelli o valori che possono essere codificati su un fotone. I qubit tradizionali hanno solo due livelli, ma aggiungendone di più diventano qudit. I ricercatori dell’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Losanna, o EPFL, della Purdue University e dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno completato la caratterizzazione di una coppia entangled di qudit a otto livelli che formavano uno spazio quantistico a 64 dimensioni, quadruplicando il record precedente per le modalità a frequenza discreta. Le loro scoperte sono state pubblicate sulla rivista Nature Communications.
“Abbiamo sempre saputo che è possibile codificare qudit di livello 10 o 20 o anche superiore utilizzando i colori dei fotoni o le frequenze ottiche, ma il problema è che misurare queste particelle è molto difficile”, ha affermato Hsuan-Hao Lu, un ricercatore associato presso la ORNL. “Questo è il valore della ricerca: abbiamo trovato una tecnica efficiente e innovativa che è relativamente facile da realizzare dal punto di vista sperimentale”. I qudit sono ancora più difficili da misurare. Nonostante queste sfide, le coppie di due qudit sottoforma di fotoni che sono intrappolati nelle loro frequenze sono adatte a trasportare informazioni quantistiche perché possono seguire un percorso prestabilito attraverso la fibra ottica, senza essere significativamente modificate dal loro ambiente. “Abbiamo combinato la produzione di contenitori di frequenza all’avanguardia con sorgenti luminose, quindi abbiamo utilizzato la nostra tecnica per caratterizzare l’entanglement quantistico di qudit ad alta dimensione con un livello di precisione mai mostrato prima” ha affermato Joseph Lukens, Wigner Fellow e ricercatore presso l’ORNL.
I ricercatori hanno iniziato i loro esperimenti facendo brillare un laser in un risonatore a micro-anelli, un dispositivo circolare su chip fabbricato dall’EPFL e progettato per generare luce non classica. Questa potente sorgente di fotoni occupa 1 millimetro quadrato di spazio – di dimensioni paragonabili alla punta di una matita appuntita – e ha permesso al team di generare coppie di bin di frequenza quantistica. I ricercatori stanno ora mettendo a punto il loro metodo di misurazione per prepararsi a una serie di esperimenti. Inviando segnali attraverso la fibra ottica, mirano a testare protocolli di comunicazione quantistica come il teletrasporto, un metodo per trasportare informazioni quantistiche, e lo scambio di entanglement, che è il processo di entanglement di due particelle precedentemente non correlate.
