Test di un prototipo di internet quantistico in corso sotto la città di New York per mezzo mese

24 agosto 2024

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di David Appell, Phys.org

Per introdurre le reti quantistiche sul mercato, gli ingegneri devono superare la fragilità degli stati quantistici in un cavo in fibra e garantire l'efficienza della consegna del segnale. Ora, gli scienziati di Qunnect Inc. a Brooklyn, New York, hanno compiuto un grande passo in avanti facendo funzionare una rete del genere nelle strade di New York.

Mentre altri hanno trasmesso fotoni intrappolati prima, c'è stato troppo rumore e deriva di polarizzazione nell'ambiente in fibra perché l'intrappolamento sopravviva, specialmente in una rete stabile a lungo termine.

'Ecco dove entra in gioco il nostro lavoro', ha detto Mehdi Namazi, co-fondatore e responsabile scientifico di Qunnect. Il design della rete, i metodi e i risultati del team sono pubblicati su PRX Quantum.

Per il prototipo della rete, i ricercatori di Qunnect hanno utilizzato un circuito in fibra di 34 chilometri noleggiato che hanno chiamato il loop GothamQ. Utilizzando fotoni polarizzati intrappolati, hanno fatto funzionare il loop per 15 giorni continui, raggiungendo un uptime del 99,84% e una fedeltà di compensazione del 99% per coppie di fotoni intrappolati trasmessi a un tasso di circa 20.000 al secondo. A un milione di coppie di fotoni intrappolati al secondo, la fedeltà era comunque quasi il 90%.

La polarizzazione di un fotone è la direzione del suo campo elettrico. (Questo può essere più facile da capire nell'immagine ondulatoria della luce.) Forse sei familiare con il fenomeno dai occhiali polarizzati, che sono filtri che lasciano passare la luce da una direzione di polarizzazione ma bloccano le altre, riducendo così il riverbero riflessi sull'acqua, sulla neve e sul vetro, ad esempio.

I fotoni polarizzati sono utili perché sono facili da creare, semplici da manipolare (con filtri polarizzati) e da misurare.

I fotoni polarizzati intrappolati sono stati utilizzati negli ultimi anni per costruire ripetitori quantistici su larga scala, calcoli quantistici distribuiti e reti di rilevamento quantistico distribuite.

L'intrappolamento quantistico, oggetto del Premio Nobel per la Fisica del 2022, è il peculiare fenomeno quantistico in cui le particelle all'interno di uno stato quantistico hanno una connessione, a volte a lunga distanza, in modo che la misurazione della proprietà di una determini automaticamente le proprietà delle altre con cui è intrappolata.

Nel loro design, un fotone infrarosso con lunghezza d'onda di 1.324 nanometri è intrappolato con un fotone nel vicino infrarosso di 795 nm. Quest'ultimo fotone è compatibile in lunghezza d'onda e larghezza di banda con i sistemi atomici del rubidio, come quelli usati nelle memorie quantistiche e nei processori quantistici. Si è riscontrato che la deriva di polarizzazione dipendeva sia dalla lunghezza d'onda che dal tempo, richiedendo a Qunnect di progettare e costruire attrezzature per la compensazione attiva alle stesse lunghezze d'onda.

Per generare queste coppie di fotoni doppio colore intrappolati, fasci di input accoppiati di determinate lunghezze d'onda sono stati inviati attraverso una cella a vapore arricchita di rubidio-78, dove hanno eccitato gli atomi di rubidio all'interno della cella, facendo transizioni due volte a un elettrone esterno, attraverso un orbitale 5p a un orbitale 6s.

Da questo stato eccitato doppio a 1.324 nm è stato talvolta emesso un fotone, e un decadimento elettronico successivo ha prodotto un altro fotone, di 795 nm.

Hanno inviato coppie di fotoni polarizzati a 1.324 nm in sovrapposizioni quantistiche attraverso la fibra, uno stato con entrambe le polarizzazioni orizzontali e l'altro con entrambe verticali, una configurazione a due qubit più comunemente conosciuta come stato di Bell. In una tale sovrapposizione, le coppie di fotoni quantistici sono contemporaneamente in entrambi gli stati.

Tuttavia, nei cavi ottici, tali sistemi di fotoni sono più soggetti a disturbi della loro polarizzazione da vibrazioni, piegamenti e fluttuazioni di pressione e temperatura nel cavo e possono richiedere frequenti ricalibrazioni. Poiché questi tipi di disturbi possono essere quasi impossibili da individuare e isolare, per non parlare di mitigare, il team di Qunnect ha costruito dispositivi di compensazione della polarizzazione automatizzati (APC) per compensarli elettronicamente.

Inviando coppie di fotoni classici, non intrappolati, a 1.324 nm con polarizzazioni note attraverso la fibra, potevano misurare quanto la loro polarizzazione si spostasse o fosse modificata. La deriva di polarizzazione è stata misurata a quattro distanze di trasmissione: zero, 34, 69 e 102 km, inviando i fotoni classici zero, una, due o tre volte attorno al loop metropolitano sotto le strade di Brooklyn e Queens. Hanno quindi utilizzato gli APC per correggere la polarizzazione delle coppie intrappolate.

La dimostrazione del loop GothamQ di Qunnect è stata particolarmente notevole per la sua durata, la natura completamente hands-off del tempo di funzionamento e la percentuale di uptime. Hanno mostrato, hanno scritto, 'progressi verso una rete di intrico completamente automatizzata' che sarebbe necessaria per un internet quantistico. Namazi ha detto che 'dopo aver completato questo lavoro, abbiamo già montato tutte le parti su rack, quindi possono essere utilizzate ovunque' - un'attrezzatura combinata che chiamano Qu-Val.

Ulteriori informazioni: Alexander N. Craddock et al, Distribuzione automatica di fotoni intrecciati in polarizzazione utilizzando le fibre installate di New York City, PRX Quantum (2024). DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.030330

Informazioni sul giornale: PRX Quantum

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