Il team di ricerca sincronizza fotoni singoli utilizzando una memoria quantistica atomica

30 luglio 2023 feature

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

Una sfida di lunga data nel campo della fisica quantistica è la sincronizzazione efficiente di fotoni individuali e generati indipendentemente (cioè particelle di luce). Realizzarlo avrebbe implicazioni cruciali per l'elaborazione delle informazioni quantistiche che si basa sulle interazioni tra più fotoni. 

Ricercatori dell'Istituto Weizmann di Scienze hanno recentemente dimostrato la sincronizzazione di singoli fotoni generati indipendentemente utilizzando una memoria quantistica atomica che opera a temperatura ambiente. Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters, potrebbe aprire nuove vie per lo studio di stati a multi-fotone e del loro utilizzo nell'elaborazione delle informazioni quantistiche.

"L'idea del progetto è nata alcuni anni fa, quando il nostro gruppo e il gruppo di Ian Walmsley hanno dimostrato una memoria quantistica atomica con un'architettura atomica invertita rispetto alle tipiche memorie - la memoria a scala a pioli veloce (FLAME)," ha detto Omri Davidson, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, a Phys.org. "Queste memoria sono veloci e prive di rumore, e quindi sono utili per la sincronizzazione di singoli fotoni."

La realizzazione di calcoli quantistici fotoni e altri protocolli di informazione quantistica dipendono dalla generazione di successo di stati multi-fotone. Poiché la maggior parte delle sorgenti quantistiche impiegate nella ricerca fino ad oggi sono probabilistiche, non sono adatte per generare stati multi-fotone a un tasso ragionevole.

Nel quadro del loro recente studio, Davidson e i suoi colleghi hanno cercato di esplorare la possibilità di realizzare questi stati utilizzando una memoria quantistica atomica, dispositivi che possono memorizzare gli stati quantistici dei fotoni mantenendo le informazioni quantistiche che trasportano. La loro previsione era che la loro memoria quantistica atomica sarebbe stata in grado di memorizzare fotoni generati in maniera probabilistica e rilasciarli su richiesta per generare uno stato a multi-fotone.

"L'obiettivo della ricerca attuale era dimostrare per la prima volta la sincronizzazione di singoli fotoni utilizzando una memoria quantistica atomica indipendente a temperatura ambiente," ha detto Davidson. "Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo dovuto ricostruire la memoria con diverse migliorie, nonché costruire una sorgente di singoli fotoni che può interagire efficacemente con la memoria. Infine, abbiamo dimostrato la sincronizzazione effettiva dei fotoni, che ha messo in comunicazione la sorgente di fotoni e i moduli di memoria, con un'elettronica di controllo appropriata dell'esperimento."

FLAME, la memoria quantistica utilizzata dai ricercatori e sviluppata come parte delle loro ricerche precedenti, si basa su uno schema a inversione di livelli atomici, noto come schema a pioli. Rispetto alle memorie convenzionali allo stato fondamentale, che sono tipicamente lente e vulnerabili al rumore, FLAME è sia veloce che priva di rumore, anche se può memorizzare informazioni per periodi di tempo più brevi. Data l'importanza della velocità e dell'assenza di rumore per la sincronizzazione di singoli fotoni, la loro speranza era che ciò avrebbe permesso loro di generare stati quantistici multi-fotone.

"Il secondo vantaggio del nostro specifico schema a pioli negli atomi di rubidio è la piccola discordanza di lunghezza d'onda delle transizioni dei campi di luce di segnale e di controllo," ha spiegato Davidson. "Ciò consente una vita utile di memoria relativamente lunga rispetto ad altri schemi a pioli con una maggior discordanza di lunghezza d'onda, grazie al ridimensionamento della diffusione di Doppler a due fotoni. Infine, abbiamo generato i fotoni utilizzando la stessa struttura a livello atomico della nostra memoria, il che consente un accoppiamento efficiente dei fotoni con la memoria."

I numerosi vantaggi del sistema di memoria FLAME sviluppato dal team hanno contribuito collettivamente al successo del loro esperimento, consentendo loro di sincronizzare fotoni individuali ad un alto tasso. Utilizzando la loro memoria quantistica atomica, sono stati in grado di memorizzare e recuperare singoli fotoni con un'efficienza end-to-end di ηe2e= 25% e antibunching finale di g(2)h= 0,023, raggiungendo un tasso di oltre 1.000 coppie di fotoni sincronizzati al secondo.

G (2) h, o antibunching dei fotoni, è una misura di quanta "singolarità" abbiano i singoli fotoni. I fotoni perfettamente singolari hanno g(2) h = 0, mentre la luce classica ha g(2) h = 1. Pertanto, a g(2) h = 0,023, i fotoni sincronizzati dai ricercatori rimangono quasi perfettamente singoli fotoni, grazie al funzionamento privo di rumore della memoria.

'We were able to synchronize photons that are compatible with atomic systems at high rate,' Davidson said. 'Photons that are compatible with atoms are important for many photonic quantum information protocols, such as a deterministic two-qubit entangling gate. Previous photon synchronization demonstrations either used broadband photons which are not compatible with atomic systems, or photons that are compatible with atomic systems with extremely low rates.'

The photon synchronization rate that Davidson and his colleagues attained in their experiments is more than 1,000 times better than previous demonstrations using photons that are compatible with atomic systems. Their work opens new avenues for the study of interactions between multi-photon states and atoms, such as so-called deterministic two-photon entangling gates. In the future, it could have valuable implications both for the realization of quantum information processing and quantum optics systems.

'We are currently exploring two research paths,' Davidson added. 'The first is to achieve strong photon-photon interactions with rubidium atoms, in a similar system to the one used for synchronization. Achieving this goal will enable us to demonstrate a deterministic entangling gate between the synchronized single-photons.

'These gates are an important component in photonic quantum computation, as they enable to reduce the resource overhead over currently pursued methods (called linear-optics quantum computation). To date, these gates were only demonstrated with cold atoms setups, and not hot atoms, which limits the scalability of these systems.'

In their next studies, Davidson and his colleagues also plan to further develop their FLAME memory, allowing it to store a photonic qubit (i.e., a photon in a quantum superposition of two polarization states), rather than only storing individual photons in one polarization state. This could ultimately allow them to perform quantum computations using photons.

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