Dal link precedente:
https://arxiv.org/pdf/1412.2889.pdf
si riportano altre utili osservazioni degli autori dello stesso studio sulla creazione di reti di comunicazione quantistiche tra memorie di q-bits e nodi di entanglement e distribuzione costituiti da atomi singoli e fotoni ottici di trasporto.
Gli esperimenti descritti nello studio dimostrano che i risonatori ottici con basse perdite interne forniscono una interfaccia efficiente tra q-bits materiali stazionari e q-bits ottici tramite fotoni.
Le situazioni sperimentali descritte confermano ora la possibilità di realizzare reti di entanglement quantistico e comunicazione tra memorie di q-bits: gruppi puntiformi costituiti da due o più atomi intrappolati all'interno di un campo in una posizione fissa di una cavità ottica consentono di controllare l'accoppiamento e la propagazione di fotoni ottici.
Un primo prototipo sperimentale di una struttura di comunicazione quantistica costituita da due nodi e da un canale di connessione fotonico è stato realizzato e confermato.
I nodi sono universali nel senso che essi realizzano tutte le operazioni richieste in una rete quantistica: cioè mandare, ricevere, immagazzinare e processare informazioni quantistiche.
Però il passaggio ad una rete su ampia scala di più nodi e a grandi distanze pone problemi formidabili da risolvere sia sperimentali che teorici.
La ragione sta nel fatto che i processi descritti hanno una efficienza e una fedeltà di riproduzione limitate.
In futuro il passaggio a grandi distanze trova ostacoli nella perdita di efficienza sia nella fibra ottica di trasporto che nei canali quantistici fotonici nello spazio libero.
Nello spazio libero le perdite sono dovute a fenomeni di diffrazione e distorsione fotonica connessi con l'atmosfera circostante.
Nelle reti di fibre ottiche esperimenti su grandi distanze richiedono di operare attraverso le cosidette finestre di telecomunicazione, cioè di operare con lunghezze d'onda di ca. 1,5 micron, per la quale la perdita è la più bassa, di ca. 0,2 dB/Km.
In questo contesto si possono usare atomi con frequenze di trasmissione adeguate, o utilizzare entanglement con lunghezze d'onda - ponte, o convertire la lunghezza d'onda fotonica con processi non-lineari che consentano di raggiungere efficienze superiori al 30%.
D'altra parte in collegamenti diretti con fibre ottiche tra nodi alla distanza di diecine di Km si verifica che la probabilità di trasmissione di un fotone diminuisce esponenzialmente con la distanza.
A 20 Km di distanza la perdita è di ca. 1/e con le fibre di telecomunicazione attuali.
Se si ipotizza di incrementare il numero di nodi di una rete riducendo la distanza tra due nodi qualunque A e B ciascuno fornito di due q-bits, generando l'entanglement quantistico tra uno di due q-bits di nodi adiacenti intermedi si può realizzare con successo un ripristino di efficienza tra un nodo e l'altro, mantenendo l'efficienza globale tra tutti i nodi invariata.
Questo fatto può garantire e mantenere invariato lo stato quantistico dei q-bits singoli entangled tra un nodo e l'altro adiacente, purchè la distanza tra i nodi venga mantenuta al di sotto di un massimo limite tra un nodo e l'altro.
Questo processo è equivalente al teletrasporto di uno dei q-bits di uno stato entangled al nodo successivo, e conseguentemente lungo tutta la catena di nodi a distanza intermedia limitata, da definire.
Ma per realizzare questo obbiettivo di incrementare il numero di nodi di una rete e mantenere ad una distanza limite detti nodi e l'efficienza di entanglement tra un nodo e l'altro è necessaria una continua depurazione passo-passo dei fotoni e distillare coppie distanti di fotoni entangled ad alta efficienza e alta fedeltà tra i protoni, teoricamente tutti e sempre uguali come proprietà fisico-chimiche.
Dispositivi che incrementano la fedeltà fotonica vengono definiti "ripetitori quantistici", sottoposti a vari controlli per valutare e preservare fedeltà ed efficienza fotonica in termini probabilistici.
Però attualmente l'efficacia di detti ripetitori per migliorare le proprietà di entanglement di particelle distanti non è ancora dimostrata sperimentalmente per i sistemi ottici.
Realizzare questo risultato per distanze limitate sembra possibile utilizzando cavità con atomi adeguati e opportunamente regolate.
Venendo poi al problema di una rete costituita da un gran numero di nodi in tutte le direzioni, risulta che la probabilità di realizzare con successo il massimo entanglement in ogni parte di una rete complessa di nodi diminuisce e cade esponenzialmente anche in funzione del numero di nodi stessi costituenti la rete (e non solo in dipendenza della loro reciproca distanza), e l'efficienza globale del sistema decade incrementando in eccesso il numero di nodi inter-collegati in ogni direzione.
Un approccio possibile è quello di usare stati "cluster" (complessi volumetrici a chiostro) che vengono generati inserendo griglie probabilistiche tra q-bits distanti.
Oppure combinare operazioni probabilistiche remote con effetti deterministici locali, secondo il concetto dei ripetitori quantistici per particelle singole.
Una interazione deterministica di memorie quantistiche remote tramite canali fotonici garantiti indipendenti è possibile, usando strategie "repeat-until-success", finchè dopo una serie di tentativi l'efficienza e fedeltà fotonica possono essere corrette e migliorate.
Altri sviluppi necessari sono i seguenti:
Primo, i nodi devono essere provvisti di due o più q-bits, sia con atomi neutri che con ioni, dimostrando che sia possibile indirizzare otticamente un singolo q-bit all'interno di un nodo, senza indurre incoerenza in altri q-bits.
Possibili soluzioni a questo problema includono l'uso di schemi Raman senza risonanza inglobando i q-bits in stati interni protetti, spostando i singoli atomi in posizioni non accoppiate ed impiegando differenti specie atomiche sia per la comunicazione che per l'immagazzinamento dei q-bits.
Secondo, i nodi devono consentire l'entanglement locale con elevate probabilità e fedeltà, altrimenti esse risulteranno troppo limitate per essere sperimentalmente utili.
Alternativamente esistono proposte per migliorare le griglie di q-bits tramite la loro interazione insieme nella stessa cavità ottica.
Terzo, lo sviluppo di reti quantistiche richiede che i nodi siano entangled in modo garantito ad una velocità più elevata dell'inverso dei tempi di coerenza dei q-bits.
Senza queste tecniche le velocità raggiunte con cavità ottiche fino a 100 Hz con approccio deterministico e fino a 10 Hz con approccio probabilistico, alla distanza di 21 metri, risultano adeguate.
Infine, le migliori possibilità di ampliamento delle reti consistono nel migliorare la fedeltà delle operazioni sia locali che a distanza.
Da una parte i progressi teorici nella correzione di errori quantistici e di depurazione dei protocolli di entanglement hanno continuamente abbassato le soglie di errore nelle operazioni quantistiche a poche unità percentuali.
Per altro verso, mantenendo il numero di q-bits a livelli realistici, i livelli di errore a meno di 10.e.alla 3.
Inoltre l'uso di misurazioni veloci dei q-bits e di feed-back quantistici risultano essere ancora primordiali e devono essere notevolmente migliorate.
Una sperimentazione continua in questa direzione aiuterà a trovare risposte molto importanti:
quanto può ingrandire una rete di nodi senza perdere le sue proprietà quantistiche, sia per quanto riguarda le distanze fisiche tra i nodi e sia il numero di nodi, di q-bits e di particelle coinvolti.
Una visione a lungo termine di sviluppo di reti quantistiche fotoniche concerne la generazione di architetture di calcolo quantistico in cui piccoli registri quantistici vengono connessi solamente con fotoni ottici.
Sotto questo aspetto tecnologie fotoniche emergenti potrebbero portare ad integrazioni nei chips di sorgenti di luce, interruttori di luce, detectors di singoli fotoni ed anche di cavità esclusivamente fotoniche.
La sperimentazione di fisica atomica continuerà a giocare un ruolo fondamentale nella esplorazione di fenomeni basilari nella struttura di reti quantistiche distribuite.
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