Un team di ricercatori ha sviluppato una rivoluzionaria memoria quantistica per i raggi X, che consente tempi di memoria prolungati e apre la strada ad applicazioni avanzate di ottica quantistica, tra cui l’entanglement dei fotoni alle energie dei raggi X.
La funzione e le sfide della memoria quantistica
La luce funge da eccezionale vettore di informazioni, svolgendo un ruolo cruciale non solo nelle tecnologie di comunicazione tradizionali, ma anche nelle applicazioni quantistiche emergenti come il networking e il computing quantistico. Tuttavia, l’elaborazione dei segnali luminosi è significativamente più complessa della gestione dei segnali elettronici standard.
Un team internazionale di ricercatori, tra cui la Dottoressa Olga Kocharovskaya, illustre Professoressa presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Texas A&M University, ha dimostrato un nuovo modo di immagazzinare e rilasciare impulsi di raggi X a livello di singolo fotone, un concetto proposto per la prima volta in precedenti lavori teorici dal gruppo di Kocharovskaya, che potrebbe essere applicato alle future tecnologie quantistiche a raggi X.
Il lavoro del team, guidato dal Professor Ralf Röhlsberger dell’Helmholtz Institute Jena e svolto utilizzando le sorgenti di sincrotrone PETRA III presso il German Electron Synchroton (DESY) di Amburgo e l’European Synchrotron Radiation Facility in Francia, ha portato alla prima realizzazione di memoria quantistica nella gamma dei raggi X duri. Le loro scoperte sono pubblicate sulla rivista Science Advances.
Kocharovskaya, membro del Texas A&M Institute for Quantum Science and Engineering, ha dichiarato: “La memoria quantistica è un elemento indispensabile che fornisce archiviazione e recupero di informazioni. I fotoni sono portatori rapidi e robusti di informazioni quantistiche, ma è difficile mantenerli stazionari nel caso in cui queste informazioni siano necessarie in un secondo momento. Un modo conveniente per farlo è imprimerle in un mezzo quasi stazionario sotto forma di onda di polarizzazione o di spin con un lungo tempo di coerenza e rilasciarle tramite riemissione dei fotoni originali”.
Kocharovskaya ha affermato anche che sono stati stabiliti diversi protocolli per le memorie quantistiche, ma sono limitati a fotoni ottici e insiemi atomici. Utilizzando insiemi nucleari anziché atomici si ottengono tempi di memoria molto più lunghi, ottenibili anche ad alte densità di stato solido e a temperatura ambiente.
Una nuova era per la memoria quantistica
Questi tempi di memoria più lunghi sono un risultato diretto della minore sensibilità delle transizioni nucleari alle perturbazioni dei campi esterni, grazie alle piccole dimensioni dei nuclei. In combinazione con una focalizzazione rigorosa dei fotoni ad alta frequenza, tali approcci potrebbero portare allo sviluppo di memorie quantistiche compatte a stato solido a banda larga e di lunga durata.
Il Dottor Xiwen Zhang, ricercatore nel gruppo di Kocharovskaya che ha partecipato all’esperimento e coautore del documento del team, ha spiegato: “L’estensione diretta dei protocolli ottico/atomico a raggi X/nucleare si rivela difficile o impossibile. Pertanto, nel nostro lavoro precedente è stato suggerito un nuovo protocollo”.
Secondo Zhang, l’idea alla base del nuovo protocollo del team è molto semplice, almeno in termini di fondamenti quantistici. In sostanza, un set di assorbitori nucleari in movimento forma un pettine di frequenza nello spettro di assorbimento a causa dello spostamento di frequenza Doppler causato dal movimento. Un breve impulso con lo spettro corrispondente a un pettine assorbito da un tale set di bersagli nucleari verrà riemesso con il ritardo determinato dallo spostamento Doppler inverso come risultato dell’interferenza costruttiva tra diverse componenti spettrali.
Zhang ha aggiunto: “Questa idea è stata realizzata con successo nel nostro attuale esperimento che prevede un assorbitore stazionario e sei assorbitori in movimento sincrono che hanno formato un pettine di frequenza a sette denti”.
Zhang ha affermato anche che la durata della coerenza nucleare è il fattore limitante che determina il tempo massimo di archiviazione per questo tipo di memoria quantistica. Ad esempio, l’utilizzo di isomeri con durata maggiore rispetto all’isotopo del ferro 57 scelto dal team per il loro studio attuale si tradurrebbe in un tempo di memoria più lungo.
Memoria quantistica a raggi X
Indipendentemente da questo, lavorare a livello di singolo fotone senza perdere informazioni qualifica il protocollo del pettine di frequenza nucleare come una memoria quantistica, il che è una novità per le energie dei raggi X. I prossimi passi pianificati dal team includono il rilascio su richiesta dei pacchetti di onde di fotoni memorizzati, che potrebbero portare alla realizzazione dell’intreccio tra diversi fotoni di raggi X duri, la principale risorsa per l’elaborazione delle informazioni quantistiche.
La ricerca del team evidenzia anche il potenziale per estendere le tecnologie quantistiche ottiche alla gamma di lunghezze d’onda corte, che è intrinsecamente meno “rumorosa” a causa della media delle fluttuazioni su un gran numero di oscillazioni ad alta frequenza.
Kocharovskaya ha concluso che le stimolanti possibilità sono interessanti e che lei e i suoi collaboratori non vedono l’ora di continuare a esplorare il potenziale della loro piattaforma sintonizzabile, solida e altamente versatile per far progredire il campo dell’ottica quantistica alle energie dei raggi X nel prossimo futuro.
