Gli scienziati del RIKEN hanno proposto un nuovo metodo per sincronizzare i sistemi quantistici in una sola direzione, come una strada a senso unico per le particelle sonore note come fononi. Questa innovazione combina due effetti quantistici per creare una forma di sincronizzazione quantistica unidirezionale che rimane sorprendentemente stabile anche se esposta a difetti di fabbricazione e rumore ambientale, due ostacoli principali che hanno a lungo impedito lo sviluppo di tecnologie quantistiche concrete.
Un team di fisici teorici del RIKEN ha proposto un nuovo metodo per ottenere la sincronizzazione quantistica unidirezionale dei fononi, le particelle associate al suono. L’approccio si distingue per la sua elevata efficacia anche in presenza di problematiche concrete come imperfezioni di fabbricazione e rumore ambientale.
Molte tecnologie moderne si basano su componenti che si comportano come strade a senso unico. Questi dispositivi consentono a particelle o segnali di muoversi liberamente in una direzione, limitando fortemente il movimento nella direzione opposta. Noti come componenti non reciproci, sono ampiamente utilizzati nei sistemi a microonde e ottici per direzionare i segnali e ridurre le riflessioni indesiderate.
“Le componenti non reciproche consentono ai segnali di viaggiare lungo i percorsi desiderati, mentre vengono fortemente attenuati nella direzione opposta”, osserva Franco Nori del RIKEN Center for Quantum Computing (RQC). “Questa capacità trova applicazioni che spaziano dall’elaborazione dei segnali all’invisibilità.”
Sincronizzazione quantistica unidirezionale
I ricercatori hanno a lungo cercato di creare un fenomeno correlato, noto come sincronizzazione quantistica non reciproca. In questo processo, due sistemi quantistici si sincronizzano quando le informazioni fluiscono in una direzione, ma la sincronizzazione non avviene nella direzione opposta.
Nonostante il notevole interesse, sviluppare un metodo pratico per ottenere questo effetto si è rivelato difficile. Le proposte precedenti sono state generalmente soggette a una serie di limitazioni che rendono complessa l’implementazione nel mondo reale.
“Le tecnologie quantistiche pratiche si trovano ad affrontare sfide critiche dovute alle imperfezioni casuali di fabbricazione e al rumore ambientale”, osserva Adam Miranowicz, anch’egli di RQC. “Questi fattori sopprimono profondamente, o addirittura distruggono completamente, le risorse quantistiche negli approcci convenzionali.”
Un nuovo metodo supera rumore e imperfezioni
In un nuovo studio teorico, Nori, Miranowicz e Deng-Gao Lai hanno sviluppato una tecnica che consente la sincronizzazione quantistica non reciproca dei fononi, evitando al contempo molti degli ostacoli che impedivano gli approcci precedenti.
“Questo sviluppo getta le basi per la generazione di risorse quantistiche non reciproche, da fragili a robuste, con future applicazioni pratiche”, afferma Nori.
La loro strategia combina due effetti quantistici distinti in un unico quadro di riferimento. Utilizzando questo approccio, i fononi si sincronizzano quando la luce o un campo magnetico vengono applicati da una direzione, ma la sincronizzazione non si verifica quando la stessa influenza proviene dalla direzione opposta.
Una sorprendente robustezza per le tecnologie quantistiche.
I ricercatori sono rimasti particolarmente sorpresi dalla resilienza dimostrata dal sistema.
“Siamo stati entusiasti di scoprire che la sincronizzazione quantistica persiste anche in presenza di notevoli imperfezioni e rumore”, afferma Lai. “In precedenza, si riteneva che ciò fosse impossibile senza l’impiego di complessi schemi di protezione.”
Il team ritiene che i risultati potrebbero contribuire a promuovere lo sviluppo di tecnologie quantistiche pratiche e prevede di continuare ad approfondire il concetto.
“Consentendo una robusta sincronizzazione quantistica non reciproca, la nostra ricerca apre la strada alla realizzazione di processori quantistici più affidabili e risorse quantistiche protette”, commenta Lai. “Ora prevediamo di esplorare applicazioni nel campo delle reti quantistiche e dell’elaborazione di informazioni quantistiche resilienti agli errori.”
Astratto
La fisica non reciproca sta suscitando un enorme interesse sia nel campo delle risorse classiche che in quello delle risorse quantistiche. Sorprendentemente, le precedenti dimostrazioni non hanno esplorato la sincronizzazione quantistica non reciproca dei fononi, uno degli esempi più evidenti di risorse quantistiche non reciproche. In questo lavoro colmiamo questa lacuna dimostrando la possibilità di una sincronizzazione quantistica non reciproca, rivelandone la controintuitiva robustezza contro le imperfezioni di fabbricazione casuali e il rumore termico dei dispositivi pratici. Nello specifico, i fononi vengono sincronizzati in una direzione di luce (campo magnetico) scelta, ma non sincronizzati nell’altra, generando un’esclusiva non reciprocità di sincronizzazione quantistica. Ciò avviene sfruttando la sinergia degli effetti Sagnac e magnon-Kerr, che porta a uno spostamento Sagnac-Fizeau opposto e a una transizione eccezionale indotta da magnon-Kerr. A differenza delle precedenti proposte, naturalmente limitate al regime di basse imperfezioni, il nostro approccio supera questa limitazione, grazie al miglioramento della resilienza del risonatore indotto dall’effetto magnon-Kerr. Lo studio pone le basi per la generazione di risorse quantistiche non reciproche, da fragili a robuste.
Materiale fornito da RIKEN . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Deng-Gao Lai, Adam Miranowicz, Franco Nori. Nonreciprocal quantum synchronization. Nature Communications, 2025; 16 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-63408-z
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