I fisici dimostrano la prima rete di computer quantistici nell'area metropolitana di Boston

15 maggio 2024

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dall'Università di Harvard

È una cosa pensare a un Internet quantistico che potrebbe inviare informazioni a prova di hacker in tutto il mondo tramite fotoni sovrapposti in diversi stati quantici. È un'altra cosa dimostrare fisicamente che sia possibile.

Ecco esattamente quello che hanno fatto i fisici di Harvard, utilizzando la fibra di telecomunicazione esistente nella zona di Boston, in una dimostrazione della più lunga distanza di fibra mondiale tra due nodi di memoria quantistica ad oggi. Pensate a un semplice e chiuso Internet tra il punto A e il punto B, che trasporta un segnale non codificato da bit classici come l'Internet esistente, ma da particelle di luce perfettamente sicure ed individuali.

L'innovativo lavoro, intitolato 'Entanglement of nanophotonic quantum memory nodes in a telecom network' e pubblicato su Nature, è stato guidato da Mikhail Lukin, il Joshua e Beth Friedman University Professor nel Dipartimento di Fisica, in collaborazione con i professori di Harvard Marko Lončar e Hongkun Park, tutti membri della Harvard Quantum Initiative, insieme a ricercatori di Amazon Web Services.

Il team di Harvard ha stabilito le pratiche basi della prima Internet quantistica intrecciando due nodi di memoria quantistica separati da un collegamento in fibra ottica implementato su un percorso di circa 22 miglia attraverso Cambridge, Somerville, Watertown e Boston. I due nodi erano situati a un piano di distanza nel Laboratorio di Harvard per la Scienza Integrata e l'Ingegneria.

La memoria quantistica, analoga alla memoria del computer classico, è un componente importante di un futuro del calcolo quantistico interconnesso in quanto consente operazioni di rete complesse e memorizzazione e recupero delle informazioni. Sebbene in passato siano stati creati altri network quantistici, quello del team di Harvard è il più lungo network di fibre tra dispositivi che possono archiviare, elaborare e trasportare informazioni.

Ogni nodo è un piccolo computer quantistico, costituito da una lamina di diamante che presenta un difetto nella sua struttura atomica chiamato centro di vuoto al silicio. All'interno del diamante, strutture scolpite di dimensioni inferiori a un centesimo dell'ampiezza di un capello umano migliorano l'interazione tra il centro di vuoto al silicio e la luce.

Il centro di vuoto al silicio contiene due qubit, o bit di informazione quantistica: uno sotto forma di spin dell'elettrone utilizzato per la comunicazione e l'altro in uno spin nucleare di vita più lunga utilizzato come qubit di memoria per archiviare l'intreccio (la proprietà quantomeccanica che consente l'informazione di essere perfettamente correlata su qualsiasi distanza).

Entrambi gli spin sono completamente controllabili con impulsi a microonde. Questi dispositivi di diamante - di dimensioni di pochi millimetri quadrati - sono alloggiati all'interno di unità di refrigerazione a diluizione che raggiungono temperature di -459°F.

L'utilizzo dei centri di vuoto al silicio come dispositivi di memoria quantistica per singoli fotoni è stato un programma di ricerca pluriennale alla Harvard. La tecnologia risolve un grosso problema nell'Internet quantistico teorizzato: la perdita del segnale che non può essere potenziata nei modi tradizionali.

Un network quantistico non può utilizzare i ripetitori di segnale in fibra ottica standard perché la copia di informazioni quantistiche arbitrarie è impossibile - rendendo l'informazione sicura, ma anche molto difficile da trasportare su lunghe distanze.

I nodi di rete basati su centri di vuoto al silicio possono catturare, memorizzare e intrecciare i bit di informazione quantistica correggendo la perdita del segnale. Dopo aver raffreddato i nodi vicino allo zero assoluto, la luce viene inviata attraverso il primo nodo e, per natura della struttura atomica del centro di vuoto al silicio, diventa intrecciata con esso.

'Poiché la luce è già intrecciata con il primo nodo, può trasferire questo intreccio al secondo nodo,' ha spiegato l'autore principale Can Knaut, studente della Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences nel laboratorio di Lukin. 'Chiamiamo questo intreccio mediato da fotoni.'

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno preso in affitto la fibra ottica da una società di Boston per eseguire i loro esperimenti, adattando la loro rete di dimostrazione sulla fibra esistente per indicare che sarebbe possibile creare un Internet quantistico con linee di network simili.

'Dimostrare che i nodi di rete quantistica possono essere intrecciati nell'ambiente reale di una zona urbana molto trafficata, è un passo importante verso la creazione di reti pratiche tra computer quantistici,' ha dichiarato Lukin.

Un network quantistico a due nodi è solo l'inizio. I ricercatori stanno lavorando diligentemente per estendere le prestazioni della loro rete aggiungendo nodi e sperimentando più protocolli di networking.

Journal information: Nature

Provided by Harvard University