Itterbio: la Memoria Quantistiche del Futuro

La trasmissione e la crittografia quantistica costituiscono il futuro della comunicazione super sicura del futuro. Molte sfide, però, si pongono davanti ai ricercatori prima di essere in grado di realizzare una rete di comunicazione quantistica globale, e quindi, riuscire a trasmettere il segnale quantistico a grande distanza.
Una delle sfide più importanti è quella di creare delle memorie in grado di “salvare” l’informazione quantistica trasportata dalla luce. I ricercatori dell’Università di Ginevra (UNIGE), in Svizzera, in collaborazione con il CNRS (Centre national de la recherche scientifique), in Francia, hanno scoperto un nuovo materiale, basato sull’itterbio (una terra rara), che può memorizzare e proteggere la delicate informazione quantistica, anche operando ad alte frequenze. Questo rende l’itterbio un candidato ideale per le future reti di comunicazione quantistiche, dove l’obiettivo è quello di propagare il segnale su lunghe distanze, agendo esso stesso come un ripetitore. I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Nature Materials

Itterbio la memoria quantistiche del futuro

La fotografia mostra il cristallo di itterbio, utilizzato come memoria quantistica. Il cristallo è raffreddato a 3 gradi sopra lo zero assoluto.
Credit: ©UNIGE

La crittografia quantistica, al giorno d’oggi, utilizza reti di fibre ottiche della lunghezza di diverse centinaia di chilometri, ed è caratterizzata dal suo elevato grado di sicurezza: è impossibile copiare o intercettare l’informazione senza perderla irrimediabilmente.
Purtroppo il fatto che non sia possibile copiare il segnale senza perdere l’informazione, impedisce agli scienziati di amplificarlo per poterlo trasmettere su lunghe distanze, come capita invece per il comune segnale della rete Internet.

Poiché il segnale non può essere copiato o amplificato senza causare la perdita dell’informazione in esso contenuta, gli scienziati stanno lavorando alla creazione di memorie quantistiche in grado di catturare i fotoni e sincronizzarli, in modo da poter essere trasmessi su distanze sempre più grandi. Fino ad oggi è mancato un materiale adatto per questo scopo.

La difficoltà era trovare un materiale in grado di isolare dai disturbi ambientali l’informazione quantistica veicolata dai fotoni, in modo da tenerli fermi per un secondo circa e poterli sincronizzare”, ha commentato Mikael Afzelius, ricercatore del Dipartimento di Fisica Applicata della Facoltà di scienze dell’UNIGE. “Inoltre, bisogna considerare che i fotoni viaggiano a quasi 300.000 chilometri al secondo!”. Questo significa che i fisici ed i chimici devono scovare un materiale che sia ben isolato dai disturbi ambientali, ma che sia lo stesso in grado di operare ad alte frequenze, per poter memorizzare e ripristinare i fotoni velocemente, due caratteristiche spesso considerate incompatibili tra loro.

L’idea dei ricercatori che si occupano di questo campo d’indagine è usare qualche membro delle cosiddette terre rare, un gruppo di 17 elementi.

In passato sono già state testati dei prototipi di memorie quantistiche basate su europio e praseodimio, ma la loro velocità non è sufficiente per scopi pratici. “Così ci siamo rivolti a un elemento che finora aveva ricevuto scarsa attenzione: l’itterbio, che ha numero atomico 70”, ha spiegato Nicolas Gisin (professore di Fisica Applicata e fondatore di ID Quantique). “Il nostro obiettivo era quello di trovare il materiale ideale per realizzare dei ripetitori quantistici, il che comporta l’isolamento degli atomi dall’ambiente che tende a disturbare il segnale”, ha aggiunto il professor Gisin.

Collocando l’itterbio in un campo magnetico con caratteristiche opportune gli autori della ricerca hanno osservato che l’atomo di questo elemento diventa insensibile ai disturbi ambientali. Ciò lo rende la soluzione ideale per intrappolare i fotoni e sincronizzarli. Gli autori hanno trovato in sostanza un ‘punto magico’ variando l’ampiezza e la direzione del campo magnetico: in corrispondenza di questo punto, il tempo di coerenza dell’itterbio, cioè il tempo medio dopo il quale l’atomo viene disturbato dall’ambiente circostante, aumenta di oltre 1000 volte, pur lavorando ad alte frequenze.

Raggiunto questo risultato, la prospettiva è quella di realizzare memorie e reti quantistiche a base di itterbio.

Questo materiale apre la strada alla possibilità di ottenere una rete quantistica globale: è da sottolineare quanto sia importante in questo tipo di studi portare avanti la ricerca fondamentale parallelamente a quella applicata”, hanno concluso i ricercatori.

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