Entanglement più veloce di punti quantici distanti tra loro

L'entanglement, un effetto sorprendente della fisica quantistica, è destinato a svolgere un ruolo importante in molte future tecnologie dell'informazione e delle telecomunicazioni. L'entanglement di due oggetti quantistici significa che le misure effettuate su uno di essi determinano istantaneamente le proprietà dell'altro, senza che vi sia alcuno scambio di informazioni tra i due.

Albert Einstein etichettò con disprezzo questa strana non-località come "azione spettrale a distanza". Nel frattempo, la fisica se l'è fatta amica da tempo e sta cercando di applicarla in modo utile, ad esempio per trasmettere dati a prova di intercettazione. Per fare ciò, è essenziale creare un entanglement tra particelle quantistiche spazialmente distanti. Questo non è facile e di solito funziona piuttosto lentamente. I fisici guidati da Atac Imamoglu, professore presso l'Istituto di Elettronica Quantistica dell'ETH di Zurigo, hanno ora dimostrato un metodo che può essere utilizzato per creare un numero di entanglement al secondo mille volte superiore a quello precedentemente possibile.

Punti quantici distanti

I giovani ricercatori Aymeric Delteil, Zhe Sun e Wei-bo Gao hanno utilizzato per i loro esperimenti due cosiddetti punti quantici, che hanno posizionato a cinque metri di distanza l'uno dall'altro in laboratorio. I punti quantici sono minuscole strutture di pochi nanometri all'interno di un materiale semiconduttore, in cui gli elettroni sono intrappolati come in una gabbia. Gli stati energetici quantomeccanici degli elettroni possono essere visualizzati come spin, cioè come frecce che puntano verso l'alto o verso il basso. Se gli stati di spin sono intrecciati, una misurazione su uno dei punti quantici può essere utilizzata per dedurre in quale stato si trova l'altro. Se lo spin del primo punto quantico è rivolto verso l'alto, l'altro è rivolto verso il basso e viceversa. Prima della misurazione, tuttavia, non si sa in quale direzione stia puntando l'uno o l'altro: si trovano in una sovrapposizione quantomeccanica di entrambe le possibili combinazioni di spin.

Ingarbugliamento per mezzo di un colpo di fucile

Per agganciare i due punti quantici tra loro, i ricercatori del Fare all'ETH hanno utilizzato il principio dell'"annuncio". "Purtroppo, attualmente non c'è praticamente alcun modo per agganciare tra loro oggetti quantistici distanti con certezza e con la semplice pressione di un pulsante", spiega Imamoglu. Invece, gli stati di entanglement devono essere creati con il metodo shotgun, sparando ripetutamente particelle di luce ai punti quantistici, che poi vengono nuovamente disperse. In alcuni casi si verificano dei colpi casuali: una delle particelle di luce fa scattare un "clic" in un rilevatore e gli stati di spin risultanti sono effettivamente entanglement.

Imamoglu e colleghi utilizzano questo trucco. Inviano impulsi laser a entrambi i punti quantici simultaneamente e misurano le particelle di luce che emettono in risposta. Tuttavia, hanno prima fatto in modo che sia impossibile scoprire da quale punto quantico provengano le particelle di luce. Il clic nel rivelatore "annuncia" ai ricercatori che i punti quantici sono stati effettivamente entanglementati dagli impulsi laser e segnala loro che ora possono essere utilizzati per trasmettere informazioni quantistiche, ad esempio.

Miglioramenti possibili

I ricercatori hanno testato il loro metodo sparando impulsi laser ai due punti quantici circa dieci milioni di volte al secondo. Questa elevata frequenza di ripetizione è stata possibile perché gli stati di spin dei punti quantici possono essere controllati in pochi nanosecondi. Le misurazioni hanno mostrato che gli stati entangled dei punti quantici sono stati creati 2300 volte al secondo.

"? un buon inizio", afferma Imamoglu, aggiungendo che il processo può ancora essere migliorato. Per esempio, per poter agganciare punti quantici distanti più di cinque metri l'uno dall'altro, occorre prima estendere il loro tempo di coerenza. Questo indica quanto tempo rimane uno stato quantico prima di essere distrutto dagli effetti dell'ambiente circostante (come i campi elettrici o magnetici). Se la particella di luce di quantizzazione impiega più tempo del tempo di coerenza per raggiungere il rilevatore, un clic non annuncia più l'entanglement. In esperimenti futuri, la fisica vuole quindi sostituire i singoli punti quantici con le cosiddette molecole di punti quantici, i cui tempi di coerenza sono cento volte più lunghi. Migliorare la probabilità di rilevamento delle particelle di luce potrebbe anche portare a un rendimento di entanglement ancora migliore.