Ottimizzare la visibilità nei computer quantistici ottici

I computer quantistici stanno attirando l'attenzione come tecnologie di nuova generazione, e vari sistemi fisici sono in fase di studio. Un approccio promettente è l'uso della luce nei computer quantistici ottici. Questi computer funzionano grazie a beam splitter che permettono l'interazione della Luce Quantistica, seguita da rivelatori. In particolare, gli stati cluster-gruppi speciali di particelle intrecciate-servono come risorse chiave per l'elaborazione quantistica basata sulla misura. Recentemente, gli scienziati hanno dimostrato stati cluster molto grandi usando un metodo chiamato multiplexing nel dominio del tempo, che utilizza configurazioni ottiche specifiche. Questo metodo dimostra come la luce quantistica possa essere gestita in modo più efficace rispetto ad altri sistemi come i qubit superconduttori.

Per sfruttare appieno le proprietà uniche della luce quantistica, è necessaria un'alta Visibilità di interferenza nelle configurazioni ottiche. Per ottenere prestazioni ottimali, le modalità spaziali e di Polarizzazione dei fasci di luce devono allinearsi. Nei sistemi a spazio libero, anche se è possibile allineare i fasci di luce, può richiedere tempo. Col passare del tempo, la posizione dei fasci può spostarsi, riducendo la visibilità. I sistemi di auto-allineamento possono risolvere questo problema, ma spesso richiedono compromessi. Al contrario, le fibre ottiche possono offrire sistemi senza manutenzione con visibilità quasi del 100% se le polarizzazioni corrispondono correttamente.

Tuttavia, mantenere la polarizzazione nei sistemi in fibra è una sfida, anche quando si utilizzano fibre a mantenimento di polarizzazione. Questo è dovuto ai rapporti di estinzione della polarizzazione finiti nei componenti in fibra come beam splitter e connettori. Quando viene costruito un setup in fibra ottica, le polarizzazioni non allineate portano a una visibilità ridotta, un problema noto come fading di visibilità.

Per la luce classica, il miglioramento della visibilità può essere ottenuto usando controllori di polarizzazione in fibra inline commerciali. Ci sono due tipi comuni: uno utilizza fibre non a mantenimento di polarizzazione avvolte attorno a rocchetti, mentre l'altro applica stress usando attuatori piezoelettrici. Anche se questi controllori funzionano bene con la luce classica, comportano perdite ottiche che non sono adatte per la natura delicata della luce quantistica. La luce quantistica non può tollerare alte perdite, rendendo cruciale per i controllori di polarizzazione minimizzare la perdita ottica.

In questo articolo, presentiamo un nuovo metodo per ottimizzare la visibilità in un interferometro in fibra controllando la polarizzazione in un modo specifico, che chiamiamo metodo Circle-Circle Crosspoint (CCC). Questa tecnica utilizza allungatori di fibra per ottenere un controllo della polarizzazione a bassa perdita. I nostri esperimenti hanno dimostrato che questo metodo può mantenere la visibilità sopra il 99,9% per lunghi periodi, rendendo i sistemi in fibra più praticabili per computer quantistici pratici.

#Introduzione ai Computer Quantistici

I computer quantistici stanno emergendo come strumenti di calcolo potenti. Funzionano in modo diverso rispetto ai computer tradizionali utilizzando bit quantistici, o qubit, che possono rappresentare più stati contemporaneamente. Questa capacità consente loro di eseguire calcoli complessi molto più rapidamente dei computer classici.

Al centro di molti protocolli di calcolo quantistico c'è il concetto di intreccio-un tipo speciale di connessione tra particelle che consente loro di condividere informazioni istantaneamente, indipendentemente dalla distanza. Un modo per creare e utilizzare questi stati intrecciati per il calcolo è utilizzare la luce e i sistemi ottici.

Nei computer quantistici ottici, i fasci di luce passano attraverso dispositivi chiamati beam splitter. Questi dispositivi dividono la luce in due percorsi, dove la luce può essere manipolata per creare stati intrecciati noti come stati cluster. Questi stati cluster possono quindi essere utilizzati per eseguire calcoli attraverso misurazioni. L'accuratezza delle misurazioni dipende fortemente da quanto bene i fasci di luce sono allineati, cosa che richiede un'alta visibilità di interferenza.

#Importanza della Visibilità nei Sistemi Quantistici

Un'alta visibilità è cruciale nei sistemi ottici per il calcolo quantistico. La visibilità si riferisce a quanto chiaramente possono essere distinti diversi schemi di luce quando interferiscono tra loro. Quando la visibilità è alta, indica una migliore interferenza e, quindi, una qualità superiore delle informazioni quantistiche elaborate.

Per ottenere un'alta visibilità, sia le modalità spaziali che quelle di polarizzazione della luce devono allinearsi correttamente. Nei sistemi a spazio libero, raggiungere questo allineamento può essere complicato e potrebbe richiedere aggiustamenti continui. Col passare del tempo, possono verificarsi spostamenti nelle posizioni dei fasci che degradano ulteriormente la visibilità. Anche se esistono alcune soluzioni, possono essere complesse e portare comunque a problemi di visibilità.

Quando si utilizzano fibre ottiche, la situazione migliora in parte. Le fibre ottiche consentono un'installazione più stabile e meno soggetta a cambiamenti ambientali. Se le polarizzazioni corrispondono correttamente nelle fibre, può essere mantenuta una visibilità quasi perfetta.

#Sfide nei Sistemi in Fibra

Mantenere la corretta polarizzazione nei sistemi in fibra ottica può essere difficile. Anche con fibre a mantenimento di polarizzazione, il rapporto di estinzione della polarizzazione finito dei componenti in fibra può portare a polarizzazioni non allineate e perdita di visibilità. La sfida diventa ancora più pronunciata quando le fibre sono collegate tramite connettori o giunzioni.

Nei sistemi ottici classici, vari tipi di controllori di polarizzazione in fibra possono aiutare a mitigare i problemi di visibilità. Tuttavia, questi controllori spesso comportano fibre non a mantenimento di polarizzazione, che possono introdurre perdite ottiche indesiderate. Tali perdite sono accettabili nei sistemi di luce classica, ma problematiche per la luce quantistica.

La luce quantistica è particolarmente sensibile alle perdite. Gli studi hanno dimostrato che i sistemi computazionali quantistici possono tollerare solo livelli molto bassi di perdita ottica-molto meno di quanto considerato normale per i sistemi classici.

#Il Nostro Approccio: Metodo Circle-Circle Crosspoint

Proponiamo un metodo per ottimizzare la visibilità di interferenza controllando gli stati di polarizzazione a un punto di incrocio specifico sulla sfera di Poincaré-essenzialmente un modello per rappresentare gli stati di polarizzazione della luce. Questo metodo, che chiamiamo metodo Circle-Circle Crosspoint (CCC), viene eseguito utilizzando allungatori di fibra, che sono dispositivi che tirano o esercitano forza sulle fibre per regolare i loro stati di polarizzazione con minima perdita.

Il metodo CCC ci consente di mantenere alta visibilità mentre manteniamo le perdite ottiche molto basse. Nei nostri esperimenti, abbiamo dimostrato che la visibilità può essere mantenuta sopra il 99,9% per periodi prolungati-specificamente, tre ore-con perdite ottiche così basse come 0,02 dB (0,5%).

#Come Funziona il Metodo CCC

In sostanza, il metodo CCC prevede l'aggiustamento delle polarizzazioni a un punto di incrocio di due traiettorie circolari sulla sfera di Poincaré tracciate da due fasci di luce. Quando i fasci di luce sono leggermente disallineati sugli assi di polarizzazione, seguono traiettorie circolari. L'obiettivo è regolare le polarizzazioni fino a dove queste traiettorie si intersecano. Regolando con attenzione gli allungatori di fibra o i riscaldatori, possiamo ottenere gli stati di polarizzazione desiderati.

Questo metodo è particolarmente efficace perché può essere implementato utilizzando solo fibre a mantenimento di polarizzazione. Questo differisce dai metodi tradizionali che spesso si basano su fibre non a mantenimento di polarizzazione, che possono aumentare le perdite ottiche. Attenendosi a fibre a mantenimento di polarizzazione, riduciamo i problemi di connettori, il che minimizza ulteriormente le perdite.

#Validazione Sperimentale del Metodo CCC

Per convalidare il nostro metodo, abbiamo costruito un setup sperimentale per monitorare la visibilità nel tempo. Durante i test, abbiamo utilizzato allungatori di fibra per controllare le polarizzazioni della luce e mantenere la visibilità sopra il 99,9%. Questo è un miglioramento significativo rispetto a esperimenti precedenti dove la visibilità poteva scendere a circa il 98% senza controllo della polarizzazione.

Gli allungatori di fibra utilizzati nel nostro esperimento hanno mostrato perdite ottiche molto basse, confermando che il nostro metodo CCC fornisce un approccio solido per il controllo della polarizzazione nei sistemi quantistici.

#Implicazioni per il Calcolo Quantistico

I progressi dimostrati usando il metodo CCC indicano che i sistemi in fibra possono essere altamente vantaggiosi per il calcolo quantistico. La possibilità di mantenere alta visibilità per lunghi periodi senza perdite significative è cruciale per un'elaborazione affidabile delle informazioni quantistiche.

Con il metodo CCC, i sistemi possono anche essere controllati elettricamente, consentendo aggiustamenti automatici che potrebbero rendere i sistemi più robusti nelle applicazioni del mondo reale. Inoltre, la flessibilità del metodo significa che può essere adattato per configurazioni con più punti di interferenza, garantendo prestazioni ottimizzate in tutto il sistema.

#Conclusione

Il metodo Circle-Circle Crosspoint presenta un percorso promettente per migliorare il calcolo quantistico ottico aumentando la visibilità di interferenza nei sistemi in fibra. Utilizzando allungatori di fibra per mantenere gli stati di polarizzazione con minima perdita, possiamo raggiungere operazioni quantistiche altamente stabili ed efficaci. Questo metodo apre nuove possibilità per implementazioni pratiche e affidabili dei computer quantistici, portando infine a progressi nel campo.

La ricerca delineata apre la strada a ulteriori innovazioni nel calcolo quantistico utilizzando sistemi ottici e rafforza il potenziale delle tecnologie in fibra ottica nel plasmare il futuro del calcolo. Man mano che continuiamo a indagare e affinare questi metodi, la promessa della computazione quantistica diventa sempre più tangibile, potenzialmente rivoluzionando il nostro modo di elaborare informazioni.