A proposito di miniaturizzazione dei dispositivi elettronici, e in particolare delle memorie, alcuni ricercatori tedeschi che lavorano con Gerhard Rempe presso l’Istituto Max Planck di ottica quantistica di Garching hanno battuto tutti. Sono infatti riusciti a memorizzare un’informazione quantistica in un singolo atomo. I ricercatori hanno scritto lo stato quantico di singoli fotoni, cioè particelle di luce, in un atomo di rubidio e le hanno lette di nuovo dopo un certo periodo di tempo in cui esse erano rimaste conservate nell’atomo. Questa tecnica può essere utilizzata in linea di principio per la progettazione di potenti computer quantistici e di reti che trasportano informazioni attraverso grandi distanze.
I computer quantistici un giorno saranno in grado di far fronte a difficili compiti computazionali in una frazione di secondo, laddove i computer attuali impiegano anni. Essi prendono la loro enorme potenza di calcolo dalla capacità di processare simultaneamente diversi pezzi di informazioni che sono memorizzate nello stato quantistico di sistemi fisici microscopici, come singoli atomi e fotoni. Per essere in grado di operare, i computer quantistici devono scambiare questi pezzi di informazione tra i singoli componenti. I fotoni sono particolarmente adatti a questo, poiché non necessitano di essere trasportati. Le particelle materiali, invece vengono utilizzate per la memorizzazione e l’elaborazione dell’informazione.
I ricercatori sono quindi alla ricerca di metodi con cui l’informazione quantistica può essere scambiata tra fotoni e materia. Anche se questo è già stato fatto con insiemi di molte migliaia di atomi, i fisici del Max Planck Institute of Quantum Optics a Garching hanno ora dimostrato che l’informazione quantistica può essere anche scambiata tra singoli atomi e fotoni in modo controllato.
L’utilizzo di un singolo atomo come unità di memorizzazione ha diversi vantaggi e l’estrema miniaturizzazione è solo uno, dice Holger Specht dal centro di ricerca di Garching, che ha partecipato all’esperimento. Le informazioni memorizzate possono essere trattate con la manipolazione diretta sull’atomo, che è importante per l’esecuzione delle operazioni logiche in un computer quantistico. “Inoltre, offrono la possibilità di verificare se le informazioni memorizzate nel quanto di luce (il fotone) siano state correttamente scritte nell’atomo senza distruggere lo stato quantico”, dice Specht. E’ quindi possibile accertare in una fase iniziale di un processo di calcolo se debba essere ripetuto a causa di un errore di archiviazione.
Nessuno era riuscito fino a poco tempo fa a far scambiare le informazioni fra fotoni e un singolo atomo, perché l’interazione tra le particelle di luce e gli atomi è molto debole. Ma i ricercatori a Garching hanno potenziato l’interazione con un trucco. Hanno messo un atomo di rubidio tra gli specchi di un risonatore ottico, e quindi usato impulsi laser molto deboli per introdurre singoli fotoni nel risonatore. Gli specchi del risonatore riflettono i fotoni parecchie volte rafforzando l’interazione tra fotoni e atomi. In senso figurato, è come se gli ospiti di una festa si incontrassero più spesso e avessero così una maggiore possibilità di parlare gli uni con gli altri.
I fotoni portano l’informazione quantistica nella forma della loro polarizzazione. Questa può essere verso sinistra (il senso di rotazione del campo elettrico è anti-orario) o verso destra (in senso orario). Lo stato quantico del fotone può contenere entrambe le polarizzazioni contemporaneamente come un cosiddetto stato di sovrapposizione. Nell’interazione con il fotone l’atomo di rubidio è di solito eccitato e poi perde l’eccitazione di nuovo mediante la probabile emissione di un altro fotone. I ricercatori di Garching non vogliono che questo accada. Al contrario, l’assorbimento del fotone aveva l’obiettivo di portare l’atomo di rubidio in un preciso stato quantico stabile. I ricercatori hanno raggiunto questo obiettivo con l’aiuto di un raggio laser ulteriore, il cosiddetto laser di controllo, che hanno indirizzato verso l’atomo di rubidio nello stesso momento in cui ha interagito con il fotone.
L’orientamento di spin dell’atomo contribuisce in modo decisivo allo stato quantico stabile generato dal laser di controllo e dai fotoni. Lo spin dà all’atomo un momento magnetico. Lo stato quantico stabile, che i ricercatori utilizzano per lo stoccaggio, è quindi determinato dall’orientamento del momento magnetico. Lo stato è caratterizzato dal fatto che esso riflette lo stato di polarizzazione del fotone: la direzione del momento magnetico corrisponde al senso di rotazione della polarizzazione del fotone, una miscela di entrambi i sensi di rotazione viene memorizzata da una miscela corrispondente di momenti magnetici.
Questo stato viene letto dal processo inverso: irradiare l’atomo di rubidio con il laser di controllo di nuovo causa la ri-emissione del fotone, che è stato originariamente colpito. Nella stragrande maggioranza dei casi, l’informazione quantistica nel fotone che torna indietro è d’accordo con le informazioni originali memorizzate, come hanno scoperto i fisici a Garching . La quantità che descrive questo rapporto, la cosiddetta fedeltà, è stata più del 90 per cento. Questo è significativamente superiore alla fedeltà del 67 per cento che può essere raggiunta con metodi classici, ovvero con quelli non basati su effetti quantistici. Il metodo sviluppato a Garching è quindi una memoria quantistica reale.
I fisici hanno misurato il tempo di conservazione, cioè il tempo in cui l’informazione quantistica negli atomi di rubidio può essere mantenuta in circa 180 microsecondi. “Questo è comparabile con i tempi di stoccaggio di tutti i precedenti metodi di memoria quantistica basati su insiemi di atomi”, afferma Stephan Ritter, un altro ricercatore coinvolto nell’esperimento. Tuttavia, un tempo significativamente più lungo è necessario per utilizzare il metodo in un computer quantistico o in una rete quantistica.
Il tempo di stoccaggio è limitato principalmente dalle fluttuazioni del campo magnetico dei dintorni del laboratorio, dice Ritter. “Si può pertanto memorizzare l’informazione quantistica negli stati quantistici degli atomi che sono insensibili ai campi magnetici”. L’efficienza è limitata dal fatto che l’atomo non sta ancora nel centro del risonatore, ma si muove. Questo fa sì che la forza delle interazioni tra atomi e fotoni diminuisca. I ricercatori possono così migliorare anche l’efficienza: con una maggiore raffreddamento degli atomi, cioè riducendo ulteriormente la sua energia cinetica.
I ricercatori dell’Istituto Max Planck di Garching ora vogliono lavorare a questi due miglioramenti. “Se questo è successo, le prospettive per la memoria quantistica del singolo atomo sarebbero eccellenti”, afferma Stephan Ritter. L’interfaccia tra atomi leggeri e individuali renderebbe possibile la connessione di più atomi in un computer quantistico: un fatto che renderebbe un tale computer più potente. Inoltre, lo scambio di fotoni permetterebbe di legare atomi attraverso grandi distanze. L’entanglement è una sorta di legame tra le particelle della meccanica quantistica, che è necessario per trasportare l’informazione quantistica su lunghe distanze. La tecnica attualmente in fase di sviluppo presso l’Istituto Max Planck di ottica quantistica, un giorno, potrebbe diventare un giorno una componente essenziale di una futura “Internet quantistica”.
Fonte: http://gaianews.it/scienza-e-tecnologia