Luce Quantistica Intrecciata: Il Segreto Nascosto nell’Emissione Continua

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi affascina da morire e che sta aprendo porte incredibili nel mondo della fisica quantistica: l’entanglement. Sì, quella strana, quasi magica connessione tra particelle che Einstein chiamava “spaventosa azione a distanza”. Beh, abbiamo trovato un modo nuovo e, oserei dire, elegante per crearla usando la luce, o meglio, i fotoni.

Immaginate di avere una sorgente di luce quantistica, non una lampadina qualsiasi, ma qualcosa di molto più piccolo e controllato, come un qubit superconduttore – pensatelo come un atomo artificiale che possiamo manipolare. Ora, invece di dargli un “colpetto” per fargli emettere un fotone alla volta, come si fa spesso, noi lo “spingiamo” continuamente con un segnale a microonde. Cosa succede? L’atomo artificiale inizia a emettere luce in modo continuo, un fenomeno chiamato fluorescenza di risonanza.

La Danza Quantistica della Luce Continua

Questa luce emessa non è banale. Se andiamo a vedere il suo spettro, cioè i “colori” (le frequenze) che la compongono, scopriamo una struttura particolare, nota come tripletto di Mollow. In pratica, oltre alla frequenza centrale (quella con cui stiamo “spingendo” il qubit), compaiono due picchi laterali, uno a frequenza leggermente più alta e uno a frequenza leggermente più bassa. È un po’ come se il nostro atomo artificiale, sotto stress continuo, iniziasse a “cantare” su tre note diverse contemporaneamente.

Qui arriva la parte interessante. Studi teorici avevano suggerito che potesse esserci qualcosa di speciale nascosto in questa emissione continua, in particolare tra i fotoni emessi nei picchi laterali del tripletto di Mollow. E se potessimo “catturare” specifici pacchetti di luce (che chiamiamo modi fotonici) provenienti da questi due picchi laterali diversi e vedere se sono… connessi? Intrecciati?

Il Nostro Esperimento: Ascoltare la Luce Quantistica

È esattamente quello che abbiamo fatto nel nostro laboratorio. Abbiamo preso il nostro qubit superconduttore, lo abbiamo accoppiato a una guida d’onda (un canale per le microonde) e lo abbiamo illuminato costantemente con un segnale alla sua frequenza di risonanza. Poi ci siamo messi ad “ascoltare” la luce emessa.

Ma come si “ascolta” o si cattura un pezzetto specifico di luce da un flusso continuo? Abbiamo usato una tecnica chiamata adattamento di modo temporale (temporal mode matching). Immaginate di avere delle “finestre” temporali molto precise e dei “filtri” di frequenza. Noi applichiamo questi filtri digitali al segnale luminoso che misuriamo. In particolare, abbiamo definito due filtri:

• Filtro 1: Sintonizzato sulla frequenza del picco laterale inferiore del tripletto di Mollow ((omega_{-})) e attivo per una durata specifica (nel nostro caso, 100 nanosecondi).
• Filtro 2: Sintonizzato sulla frequenza del picco laterale superiore ((omega_{+})) e attivo esattamente nello stesso intervallo di tempo.

La cosa fondamentale è che questi due filtri, pur sovrapponendosi nel tempo, sono ortogonali in frequenza. Questo significa che i due pacchetti di luce (modi fotonici) che estraiamo sono distinti e indipendenti, almeno in linea di principio. Potremmo, in futuro, separarli fisicamente e inviarli a due diverse memorie quantistiche.

La Prova dell’Entanglement: Tomografia e Negatività

Ok, abbiamo estratto questi due modi fotonici. Ma come facciamo a sapere se sono davvero entangled? Qui entra in gioco la tomografia di stato quantistico congiunta. È una tecnica potente che ci permette di ricostruire lo stato quantistico completo del sistema a due modi misurando una serie di sue proprietà (i momenti statistici, fino al quarto ordine nel nostro caso). È come fare una “radiografia” quantistica dettagliata.

Una volta ricostruita la matrice densità (la descrizione matematica dello stato quantistico), possiamo calcolare una misura specifica dell’entanglement chiamata negatività logaritmica (({E}_{{mathcal{N}}})). Se questo valore è maggiore di zero, allora c’è entanglement!

Ebbene, i risultati sono stati entusiasmanti! Abbiamo misurato i momenti, ripulito i dati dal rumore sperimentale (che c’è sempre, purtroppo!) e ricostruito lo stato. Concentrandoci sulle frequenze corrispondenti ai due picchi laterali ((Delta_1 approx -Omega) e (Delta_2 approx +Omega), dove (Omega) è legata all’intensità del nostro segnale di guida), abbiamo trovato una negatività logaritmica chiaramente positiva!

Inizialmente, la ricostruzione diretta dava un valore di ({E}_{{mathcal{N}}} = 0.128). Tuttavia, confrontando con le nostre simulazioni teoriche (che prevedevano ({E}_{{mathcal{N}}} = 0.062)), ci siamo resi conto che usare solo i momenti fino al quarto ordine (perché quelli di ordine superiore erano troppo rumorosi) tende a sovrastimare leggermente l’entanglement nella ricostruzione. Facendo una ricostruzione “simulata” usando solo gli stessi 27 momenti che avevamo dall’esperimento, otteniamo valori molto vicini a quelli misurati. Quindi, siamo fiduciosi che l’entanglement reale che stiamo generando sia vicino al valore teorico di 0.062, che è comunque una prova solida!

Perché è Importante? Vantaggi e Prospettive

Ma perché tutto questo sforzo? Quali sono i vantaggi di questo approccio?

• Semplicità: Usiamo un singolo emettitore quantistico (il nostro qubit) guidato in modo continuo. Non servono impulsi laser complicati e perfettamente sincronizzati come in altri metodi per generare fotoni entangled “su richiesta”.
• Stato Stazionario: L’entanglement viene generato continuamente finché teniamo acceso il drive. Questo significa che non dobbiamo preoccuparci di “premere un pulsante” al momento giusto per estrarre i fotoni. Possiamo applicare i nostri filtri temporali quando vogliamo.
• Potenzialmente Veloce: La velocità con cui possiamo generare queste coppie entangled è limitata principalmente dalla “velocità di reazione” del qubit (la sua larghezza di linea, (Gamma)), che nei circuiti superconduttori può essere molto alta (fino a GHz!).
• Versatilità: Anche se noi abbiamo usato un qubit superconduttore, la fluorescenza di risonanza è un fenomeno universale! Si osserva in ioni intrappolati, atomi freddi, centri di colore nel diamante, punti quantici… Questo metodo potrebbe quindi essere applicato a tantissime piattaforme fisiche diverse, anche a lunghezze d’onda delle telecomunicazioni.

Certo, c’è ancora lavoro da fare. Nel nostro esperimento, abbiamo applicato i filtri digitalmente, a posteriori. La prossima sfida è estrarre *fisicamente* questi modi temporali e trasferirli, ad esempio, a memorie quantistiche per poterli poi usare in algoritmi o reti quantistiche. Tecniche come i “quantum pulse gates” in ottica o l’accoppiamento sintonizzabile a cavità a microonde sono strade promettenti.

Inoltre, abbiamo usato filtri temporali a “scatola” (boxcar), i più semplici. Le simulazioni suggeriscono che usando forme d’onda più sofisticate (come i modi di Hermite-Gauss) potremmo ottenere un entanglement ancora maggiore. C’è tutto un mondo da esplorare nell’ottimizzazione della forma di questi modi fotonici!

Conclusione: Una Nuova Sorgente di Magia Quantistica

Quello che abbiamo dimostrato è una nuova via per “distillare” entanglement direttamente dall’emissione apparentemente caotica di un sistema quantistico guidato in modo continuo. Sfruttando sia il dominio del tempo che quello della frequenza, abbiamo pescato coppie di pacchetti di luce intrinsecamente connessi.

Questo apre scenari affascinanti per la comunicazione quantistica sicura, il calcolo quantistico distribuito e la costruzione di reti quantistiche. È un altro piccolo passo per imbrigliare le stranezze del mondo quantistico e trasformarle in tecnologie rivoluzionarie. E per me, è la dimostrazione che anche nei fenomeni più studiati, come la fluorescenza di risonanza, possono nascondersi sorprese incredibili!

Fonte: Springer