Record di entanglement quantistico: memorie atomiche aggrovigliate a 420 km di distanza

Pubblicato su Physical Review Letters come Editors' Suggestion e apparso inizialmente su arXiv , l'esperimento rappresenta un passo concreto dalle reti quantistiche metropolitane verso veri collegamenti interurbani.

Come funziona l'esperimento

Il sistema era costruito attorno a due nodi di memoria quantistica, soprannominati Alice e Bob, con un nodo di misura centrale (Charlie) nel mezzo . Ogni nodo di memoria era una nube di atomi di rubidio-87 raffreddata e intrappolata da laser. Per creare l'entanglement, il team ha utilizzato un noto protocollo chiamato Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) . In questo approccio, ogni memoria emette probabilisticamente un singolo fotone. Rilevare quel fotone al nodo centrale segnala che le due memorie sono diventate entangled.

Il team ha dovuto superare tre ostacoli principali per raggiungere i 420 km:

Conversione di lunghezza d'onda. Le memorie a rubidio emettono naturalmente fotoni a circa 780 nm, nel vicino infrarosso. Questi verrebbero rapidamente assorbiti su lunghe tratte in fibra. Il team ha convertito ogni fotone nella banda delle telecomunicazioni (circa 1550 nm) — la stessa lunghezza d'onda utilizzata per le comunicazioni in fibra ottica standard — così che il segnale potesse viaggiare per centinaia di chilometri senza essere assorbito .

Stabilizzazione attiva. Oltre 420 km di fibra, variazioni di temperatura, vibrazioni e altri effetti meccanici possono distruggere la relazione di fase necessaria per l'interferenza a fotone singolo. Il team ha implementato un sistema di stabilizzazione che compensava continuamente queste fluttuazioni, preservando la coerenza su tutto il collegamento .

Interferenza a fotone singolo. La misurazione chiave che crea l'entanglement avviene nel nodo centrale, dove i fotoni di Alice e Bob interferiscono. Ottenere un'interferenza stabile con fotoni singoli su una distanza così lunga è stata una sfida tecnica importante che il team ha risolto con successo .

Oltre il limite PLOB

Forse il risultato più significativo è che l'esperimento ha superato il limite PLOB — il tasso massimo teorico con cui l'entanglement può essere distribuito su un canale con perdite senza ripetitori quantistici . La probabilità di entanglement misurata tra le memorie ha superato questo limite a distanze superiori a circa 230 km, e il vantaggio continuava a crescere all'aumentare della lunghezza della fibra fino a 420 km . Come riportato, questa è la prima dimostrazione basata su memoria a superare quel tetto fondamentale .

Il team ha anche dimostrato che il loro schema assistito dalla memoria supera la distribuzione diretta dell'entanglement su fibra oltre circa 320 km . Questo accade perché l'approccio basato su memoria scala con la radice quadrata della trasmittanza del canale, mentre la trasmissione diretta scala linearmente con la trasmittanza — una differenza fondamentale che dà alle memorie un vantaggio sulle lunghe distanze .

Perché è importante per l'internet quantistico

Sposta la scala da metropolitana a interurbana. I precedenti record di entanglement materia-materia su fibra erano nel range 50-100 km, coprendo una tipica area metropolitana . A 420 km, l'esperimento entra in distanze che collegano città. Come scrivono gli autori, "Il nostro esperimento fornisce un banco di prova per studiare applicazioni delle reti quantistiche oltre la scala di una singola città" .

Convalida le reti quantistiche assistite da memoria. Il risultato dimostra che le memorie quantistiche possono immagazzinare e annunciare l'entanglement su lunghezze di fibra pratiche superando il limite senza ripetitori . Questa è una precondizione necessaria per costruire ripetitori quantistici scalabili e, in definitiva, un internet quantistico completo .

Si allinea con l'infrastruttura di telecomunicazione esistente. I componenti chiave — conversione di lunghezza d'onda nella banda delle telecomunicazioni, stabilizzazione attiva della fibra e memorie ad atomi freddi — sono tutti compatibili con le apparecchiature standard in fibra ottica . Questo suggerisce un percorso di aggiornamento realistico dalle odierne reti di distribuzione quantistica delle chiavi (QKD) a un futuro internet quantistico con distribuzione dell'entanglement a lunga distanza abilitata dalla memoria.

Avvertenze importanti

Sebbene il risultato tecnico sia autentico, è importante notare che si tratta di una dimostrazione di laboratorio. L'esperimento ha utilizzato fibra avvolta in bobina in un ambiente controllato, non un collegamento dispiegato sul campo . La fibra includeva un breve segmento sul campo che correva dal laboratorio universitario a un nodo di misura all'Hefei Software Park, ma la maggior parte della distanza era su bobine . Il dispiegamento nel mondo reale richiederà la risoluzione di ulteriori sfide ingegneristiche, tra cui la stabilità della fibra dispiegata sul campo, l'integrazione con hardware di commutazione e instradamento e la scalabilità a più nodi interconnessi .