I ricercatori dimostrano il trasferimento di stati a multi-fotoni tra nodi superconduttori remoti

10 febbraio 2024

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

Nelle ultime decadi, fisici quantistici ed ingegneri hanno cercato di sviluppare nuovi e affidabili sistemi di comunicazione quantistica. Questi sistemi potrebbero alla fine fungere da banco di prova per valutare e migliorare i protocolli di comunicazione.

Ricercatori dell'Università di Chicago hanno recentemente introdotto un nuovo banco di prova per la comunicazione quantistica con nodi superconduttori remoti e hanno dimostrato la comunicazione multiphoton bidirezionale su questo banco di prova. Il loro studio, pubblicato in Physical Review Letters, potrebbe aprire una nuova via verso la realizzazione dell'efficiente comunicazione di complessi stati quantistici nei circuiti superconduttori.

'Stiamo sviluppando qubit superconduttori per il calcolo quantistico modulare e come banco di prova per la comunicazione quantistica,' ha detto Andrew Cleland, co-autore dello studio, a Phys.org. 'Entrambi si basano sulla capacità di comunicare stati quantistici coerentemente tra 'nodi' di qubit che sono collegati tra loro con una rete di comunicazione scarsa, tipicamente una singola linea di trasmissione fisica.'

Lo studio recente dei ricercatori si basa su due ricerche precedenti pubblicate in Nature Physics e Nature. In questi lavori precedenti, il team ha dimostrato di poter generare entanglement remoto e inviare complessi stati quantistici, quest'ultimo consistente in un qubit alla volta.

'Nel nostro nuovo studio, volevamo provare a inviare complessi stati quantistici che rappresentano più qubit contemporaneamente,' ha detto Cleland. 'Per fare questo, abbiamo caricato lo stato quantistico da inviare in un risonatore e poi abbiamo inviato l'intero stato del risonatore nella linea di trasmissione, catturandolo con un risonatore remoto per successiva analisi.'

I risonatori, dispositivi che mostrano risonanza elettrica, hanno un numero teoricamente infinito di livelli quantistici. Di conseguenza, sono teoricamente capaci di memorizzare stati molto complessi che codificano dati corrispondenti a diversi qubit. Grazie a queste caratteristiche vantaggiose, l'uso di risonatori per inviare e ricevere dati potrebbe aumentare la larghezza di banda disponibile.

Nel loro esperimento, Cleland e i suoi colleghi hanno utilizzato due qubit superconduttori, ognuno dei quali era collegato a un risonatore superconduttore adattabile. Ciascuno di questi risonatori era a sua volta collegato a una linea di trasmissione lunga 2 metri tramite un dispositivo noto come accoppiatore variabile.

'Usiamo un qubit superconduttore per 'programmare' diversi stati quantistici al suo risonatore compagno, utilizzando metodi che abbiamo stabilito molti anni fa,' ha detto Cleland.

'Poi attiviamo l'accoppiamento del risonatore alla linea di trasmissione, rilasciando lo stato quantico (possibilmente complesso) dal risonatore nella linea di trasmissione, dove viene trasmesso come un insieme (possibilmente complesso) di fotoni mobili entangled. Questi vengono poi 'catturati' dall'altro risonatore utilizzando il processo inverso al rilascio e utilizziamo il qubit di quel risonatore per analizzare lo stato ricevuto. Il sistema può trasmettere in entrambe le direzioni allo stesso modo (quindi 'bidirezionale').'

Il design implementato dai ricercatori ha permesso loro di realizzare la trasmissione bidirezionale di fotoni a frequenza microonde singoli, nonché la trasmissione simultanea di uno stato Fock a due fotoni |2> in una direzione con la trasmissione di uno stato Fock a un fotone |1> nell'altra direzione, nonché la trasmissione (separata) di stati Fock sovrapposti di fotoni |0>+|1> e |0>+|2>.

'Abbiamo poi mostrato la generazione dei cosiddetti stati N00N, che rappresentano l'entanglement tra i due risonatori, realizzando in primo luogo la generazione dello stato entangled |10>+|01> con un fotone 'condiviso' tra i due risonatori, poi la generazione dello stato |20>+|02>, con due fotoni 'condivisi' allo stesso modo,' ha detto Cleland.

'Complessivamente, il nostro lavoro dimostra un percorso fattibile verso la comunicazione altamente efficiente di stati quantistici più complessi rispetto a singoli fotoni tra due nodi.'

Il nuovo banco di prova per la comunicazione quantistica introdotto da Cleland e i suoi colleghi potrebbe presto aprire la strada a ulteriori lavori e progressi. In primo luogo, potrebbe essere utilizzato per realizzare il calcolo distribuito, in cui ogni nodo in un circuito esegue calcoli e comunica efficientemente i risultati ad un altro nodo. Inoltre, potrebbe essere utilizzato per dimostrare sistemi in cui due nodi condividono uno stato complesso e ognuno esegue manipolazioni distinte su questo stato.

'La nostra piattaforma potrebbe anche essere utilizzata per la comunicazione quantistica, dove, ad esempio, un'informazione quantistica codificata di una certa complessità potrebbe essere trasmessa in un solo trasferimento,' ha aggiunto Cleland.

'We are now working on a number of different aspects of this experiment; for instance, we plan on increasing the number of nodes (which were two in our recent experiment), increasing the fidelity of the process, and exploring what is possible if we have more communication channels in parallel.'

Journal information: Nature , Physical Review Letters , Nature Physics , arXiv

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