Una ricerca finanziata dall’UE dimostra che gli ioni intrappolati sono una piattaforma promettente per le reti quantistiche a lunga distanza.
Non uno, non due, ma ben 230 metri: è a questa distanza che un gruppo di ricerca, sostenuto dal progetto QIA finanziato dall’UE, è riuscito a correlare due ioni tramite il cosiddetto «entanglement». Il successo dell’entanglement a lunga distanza dimostra che è possibile utilizzare gli ioni intrappolati per creare reti quantistiche che colleghino le città e, in futuro, i continenti. L’esperimento è descritto in uno studio pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.
Ioni intrappolati a oltre 200 metri di distanza
Figure 1 – The two-node quantum network. (a) Satellite image (Google Earth, image: Landsat/Copernicus). Nodes A and B are located in separate buildings, connected via a 520(2) m optical-fiber link and have a 230 m line of sight separation. (b) Nodes consist of an ion, a linear Paul trap (four yellow electrodes), and a cavity comprised of two mirrors. The PBSM setup contains a beam splitter (BS), polarizing beam splitters (PBSs), and photon detectors. (c) Energy-level diagram for 40Ca+. When an ion is in state |S⟩ and no photons are in the cavity, a laser pulse containing two tones generates the ion-photon entangled state 1/√2(|DV⟩+eiθ|D′H⟩), where |V⟩ and |H⟩ are the polarization components of a cavity photon and θ is a phase [34]. The frequency difference Δ2−Δ1 is equal to the one between |D′⟩=32D5/2, mj=−3/2 and |D⟩=32D5/2, mj=−5/2.
Figure 2 – Entanglement between ion qubits. (a) Single-photon wave packets measured at each node in a separate calibration experiment. Shown are histograms of photon counts per 1 μs time bin for ion-entangled photons from Node A only (orange) and Node B only (green). The gray region indicates when the Raman laser pulse is on. The dashed black lines indicate the window within which coincidence events are evaluated during entanglement experiments. (b) Success probability for a coincidence event heralding either |ψ+⟩ or |ψ−⟩ to occur as a function of T. (c) Experimentally reconstructed density matrices ρ+(T) and ρ−(T), for T=1 μs. Bar heights indicate amplitudes of matrix entries; colors indicate phases. Amplitudes of the entries for |Ψ±⟩⟨Ψ±| are outlined for comparison. (d) Fidelity F± as a function of T. Markers indicate measured values; error bars correspond to 1 standard deviation. Solid lines show an empirical model discussed in the main text, with shaded regions indicating uncertainties. Dashed lines show a partial model omitting photon distinguishability.
Figure 3 – (a) Number of coincidences recorded for orthogonal (blue) and parallel (red) polarization projections of photons from Nodes A and B, for the same dataset as in Fig. 2, where the axes are scaled by the ratio of detector efficiencies. Data are plotted as a function of the time difference τ between photon detection events, binned in 0.5 μs intervals. Error bars indicate Poissonian statistics. (b) Diamonds show the two-photon interference visibility calculated from the coincidence data after correction for background counts and detector efficiencies, using Eq. (2). The shaded region indicates the propagation of Poissonian uncertainties. Lines show a master-equation model discussed in the main text.
Nel calcolo quantistico a ioni intrappolati, gli ioni (ovvero atomi carichi elettricamente) sono sospesi e confinati in campi elettromagnetici come bit quantistici, anche noti come qubit.
I qubit a ioni intrappolati promettono di offrire applicazioni interessanti nell’ambito dell’informazione quantistica. Tuttavia, per costruire reti quantistiche, i delicati stati quantici dei qubit devono essere condivisi su lunghe distanze.
L’équipe di ricerca guidata dalla Tracy Northup e Ben Lanyon, dell’Università di Innsbruck, partner del progetto QIA, ha ora dimostrato la praticabilità di questa idea riuscendo a ottenere l’entanglement di due ioni intrappolati situati in edifici diversi.
Come riporta una notizia pubblicata sul sito web di QIA, il team aveva precedentemente intrappolato gli ioni in cavità ottiche, così da poter trasferire l’informazione quantistica in modo efficiente alle particelle di luce (fotoni).
Queste, a loro volta, erano state trasmesse lungo fibre ottiche per collegare ioni situati in luoghi diversi.
Per questo esperimento, i ricercatori hanno allestito i due sistemi quantistici in due laboratori, presso il Campus Technik dell’Università di Innsbruck, uno nell’edificio del Dipartimento di fisica sperimentale e l’altro all’interno del plesso che ospita l’Istituto per l’ottica quantistica e l’informazione quantistica dell’Accademia austriaca delle scienze.
«Finora gli ioni intrappolati erano stati correlati solo a distanza di pochi metri nello stesso laboratorio», osserva Lanyon «Inoltre, tali risultati sono stati ottenuti grazie a sistemi di controllo condivisi e a fotoni (particelle di luce) con lunghezze d’onda non adatte a viaggiare su distanze lunghe.»
Grazie ad anni di ricerca, oggi è stato possibile correlare due ioni situati in punti diversi del campus universitario.
«Per farlo abbiamo inviato singoli fotoni correlati insieme agli ioni lungo un cavo in fibra ottica di 500 metri e li abbiamo sovrapposti l’uno all’altro, trasferendo l’entanglement ai due ioni remoti», spiega Northup. «I nostri risultati dimostrano che gli ioni intrappolati sono una piattaforma promettente per la realizzazione di reti distribuite di computer e sensori quantistici, oltre che di orologi atomici.»
L’obiettivo a lungo termine del progetto QIA (Quantum Internet Alliance) è quello di costruire un Internet quantistico globale, realizzato in Europa, che consenta la comunicazione quantistica tra due punti qualsiasi della Terra.
Al fine di raggiungere questo ambizioso obiettivo, sono state riunite quaranta università, aziende e centri di ricerca europei di eccellenza. Il progetto QIA si concluderà nel 2026.
a cura della Redazione
Pubblicazioni
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.050803
http://quantum-internet.team/2023/02/06/qia-researchers-successfully-entangle-two-ions-230-meters-apart/?cn-reloaded=1
Sito del progetto
http://quantum-internet.team/
