20 giugno 2013
Un passo fondamentale verso la realizzazione di reti quantistiche è stato realizzato grazie a un
nuovo tipo di trappola ottica che permette di mantenere confinati i cosiddetti atomi di Rydberg
mentre vengono stimolati per produrre a comando fotoni entangled senza doverne aspettare l’emissione
spontanea, un processo probabilistico i cui tempi sono incompatibili con quelli richiesti da una
rete (red)
lescienze.it
Un nuovo tipo di trappola ottica che permette di generare a comando uno stato di entanglement fra un
atomo e un fotone – ossia quella correlazione per cui lo stato quantico di uno dei due dipende da
quello dell’altro anche se sono spazialmente separati – è stato realizzato da un gruppo di ricerca
del Georgia Institute of Technology ad Atlanta diretto da Alex Kuzmìc.
Produzione, distribuzione e controllo dell’entanglement attraverso le reti sono obiettivi
fondamentali della scienza dell’informazione quantistica. Per raggiungerli, buona parte degli studi
realizzati fino a oggi hanno sfruttato l’entanglement che si stabilisce fra un singolo atomo, o
piccoli gruppi di atomi, e un fotone emesso spontaneamente dal sistema sperimentale una volta che
sia stato adeguatamente “preparato”. Tuttavia, dato che questo processo di emissione spontanea è di
tipo probabilistico, la generazione degli stati di entanglement richiede tempi relativamente lunghi,
di fatto incompatibili con la creazioni delle vaste reti con innumerevoli nodi.
Per sfuggire a questa tirannia dell’emissione probabilistica di fotoni e realizzare la possibilità
di un entanglement deterministico, i ricercatori testano diverse possibilità. Ma quella descritta
da Kuzmìc e colleghi in un articolo pubblicato su Nature, che ricorre ai cosiddetti atomi di
Rydberg, sembra particolarmente promettente.
Negli atomi di Rydberg l’elettrone più esterno si trova in un’orbita altamente eccitata (ovvero con
un elevato numero quantico principale, indicato con n). Questa eccitazione porta gli atomi ad avere
un raggio incredibilmente più grande, anche nell’ordine del micrometri, rispetto a quello che gli
stessi atomi hanno nel loro stato fondamentale, tipicamente di dimensioni subnanometriche. Inoltre,
questa caratteristica conferisce agli atomi di Rydberg proprietà elettromagnetiche particolari che
permettono di stimolare a comando l’emissione di un fotone in modo che sia entangled con un atomo.
Questa possibilità però era impedita dalla difficoltà di realizzare la stimolazione confinando allo
stesso tempo l’atomo di Rydberg in una trappola ottica.
Ora Alex Kuzmich e collaboratori hanno risolto il problema. Grazie a un gas ultrafreddo di atomi di
rubidio confinati in un reticolo ottico unidimensionale e a una coppia di laser ottici, i
ricercatori hanno portato il tasso di generazione di fotoni entangled da poche unità al secondo
ottenuto con le altre tecniche a ben 5000 fotoni al secondo.
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