I computer quantistici odierni sono notoriamente difficili e costosi da utilizzare. La maggior parte richiede temperature prossime allo zero assoluto, circa -459 gradi Fahrenheit, per mantenere i fragili stati quantistici necessari per il calcolo e la comunicazione.
Ora, i ricercatori dell’Università di Stanford hanno sviluppato un dispositivo ottico su scala nanometrica che funziona a temperatura ambiente, collegando le proprietà quantistiche della luce e degli elettroni. Questa innovazione potrebbe aprire la strada a tecnologie quantistiche più piccole e a basso costo, capaci di trasmettere informazioni su lunghe distanze.
Il nuovo dispositivo permette l’entanglement tra i fotoni, le particelle che compongono la luce, e gli elettroni. Questa connessione quantistica è considerata un requisito fondamentale per i futuri sistemi di comunicazione quantistica.
“Il materiale in questione non è propriamente nuovo, ma il modo in cui lo utilizziamo sì”, afferma Jennifer Dionne, professoressa di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford e autrice senior dello studio pubblicato su Nature Communications . “Fornisce una connessione di spin molto versatile e stabile tra elettroni e fotoni, che costituisce la base teorica della comunicazione quantistica. In genere, tuttavia, gli elettroni perdono il loro spin troppo rapidamente per essere utili.”
Luce distorta e spin quantistico
Il dispositivo combina un sottile strato strutturato di diseleniuro di molibdeno (MoSe2) con un substrato di silicio nanostrutturato. Il diseleniuro di molibdeno appartiene a una famiglia di materiali noti come dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC), apprezzati per le loro proprietà ottiche e quantistiche uniche.
Secondo i ricercatori, le nanostrutture di silicio svolgono un ruolo fondamentale generando quella che definiscono “luce distorta”.
“Le nanostrutture di silicio consentono quella che chiamiamo ‘luce attorcigliata’”, spiega Feng Pan, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Dionne e primo autore dell’articolo. “I fotoni ruotano a spirale, ma soprattutto, possiamo usare questi fotoni rotanti per imprimere uno spin agli elettroni, che sono il cuore del calcolo quantistico.”
Dionne osserva che le strutture a motivi sono incredibilmente piccole, di dimensioni paragonabili a quelle della luce visibile e impossibili da vedere a occhio nudo.
“Le nanostrutture con motivi predefiniti sono impercettibili all’occhio umano, circa delle dimensioni della lunghezza d’onda della luce visibile”, aggiunge Dionne. “Ma ci aiutano a manipolare i fotoni con estrema precisione per farli ruotare, per torcerli, in una direzione specifica, ad esempio verso l’alto o verso il basso.”
Un percorso più semplice verso la comunicazione quantistica.
I ricercatori possono utilizzare questa luce distorta per interagire con gli spin degli elettroni, creando i qubit, i mattoni fondamentali dei sistemi di informazione quantistica.
Nell’informatica convenzionale, le informazioni sono rappresentate da zeri e uno. Nelle tecnologie quantistiche, i qubit svolgono una funzione simile, ma possono sfruttare gli effetti della meccanica quantistica per elaborare e trasmettere informazioni in modi completamente nuovi.
Una delle maggiori sfide per le tecnologie quantistiche è il mantenimento di stati quantistici stabili. In molti sistemi esistenti, è necessario un raffreddamento estremo per prevenire un processo noto come decoerenza, in cui si perde la delicata informazione quantistica.
Poiché il nuovo dispositivo funziona a temperatura ambiente, evita uno dei principali ostacoli che hanno limitato la diffusione delle tecnologie quantistiche. I ricercatori affermano che il design compatto è anche relativamente economico e pratico rispetto a molti sistemi quantistici attualmente in uso.
Se ulteriormente sviluppata, questa tecnologia potrebbe contribuire a progressi nelle comunicazioni sicure, nella sensoristica avanzata, nel calcolo ad alte prestazioni, nell’intelligenza artificiale e in altre applicazioni emergenti.
Perché il materiale è importante
Il team ha scelto i materiali TMDC per le loro insolite caratteristiche quantistiche e ha collaborato con i ricercatori di Stanford Fang Liu e Tony Heinz, specializzati in questi materiali.
“Tutto si riduce a questo materiale e al nostro chip di silicio”, afferma Pan. “Insieme, confinano e amplificano efficacemente la torsione della luce per creare un forte accoppiamento di spin tra fotoni ed elettroni. Questo stabilizza lo stato quantistico che rende possibile la comunicazione quantistica.”
Questa combinazione permette alla luce e alla materia di interagire in modo più intenso, contribuendo a preservare le proprietà quantistiche necessarie per le attività di comunicazione e di calcolo.
Verso le future reti quantistiche
I ricercatori continuano a migliorare il dispositivo e stanno esplorando ulteriori materiali TMDC e combinazioni di materiali che potrebbero offrire prestazioni ancora migliori. Stanno anche studiando se questi sistemi possano rivelare nuove capacità quantistiche attualmente non possibili a temperatura ambiente.
Un obiettivo a lungo termine è quello di integrare dispositivi come questo in reti quantistiche più ampie. Il raggiungimento di tale obiettivo richiederà miglioramenti nelle tecnologie di supporto, come sorgenti luminose, modulatori, rivelatori e interconnessioni.
In definitiva, i ricercatori sperano che i componenti quantistici possano essere miniaturizzati a sufficienza da poter essere integrati nell’elettronica di uso quotidiano. Sebbene questo futuro sia ancora lontano, il lavoro rappresenta un passo avanti verso una maggiore accessibilità e praticità della tecnologia quantistica.
“Se ci riuscissimo, forse un giorno potremmo implementare il calcolo quantistico in un telefono cellulare”, dice Pan con un sorriso. “Ma questo è un progetto che richiederà più di dieci anni.”
Abstract
I dicalcogenuri di metalli di transizione possiedono pseudospin di valle, che consente l’accoppiamento tra lo spin del fotone e lo spin dell’elettrone per l’elaborazione di informazioni classiche e quantistiche. Tuttavia, i rapidi processi di decoerenza di valle hanno ostacolato lo sviluppo di dispositivi valleytronici scalabili e ad alte prestazioni operanti a temperatura ambiente. In questo lavoro dimostriamo che una metasuperficie risonante chirale può consentire l’emissione selettiva di valle a temperatura ambiente in monostrati di MoSe₂ indipendentemente dalla polarizzazione di eccitazione. Questa piattaforma fornisce stati di autopolarizzazione circolare con un elevato fattore di qualità (fattore Q) e un forte potenziamento del campo vicino chirale. Le metasuperfici chirali di Si fabbricate mostrano risonanze chirottiche con fattori Q fino a 450 alle lunghezze d’onda visibili. Riveliamo gradi di polarizzazione circolare (DOP) che raggiungono un valore record di 0,5 a temperatura ambiente. Le nostre misurazioni mostrano che l’elevato DOP può essere attribuito alla densità locale di stati chirottici significativamente aumentata, che incrementa i tassi di transizione radiativa specifici di valle di un fattore di ~13. Il nostro lavoro potrebbe facilitare lo sviluppo di sorgenti luminose chirali classiche e quantistiche ultracompatte.
Materials provided by Stanford University. Original written by Andrew Myers. Note: Content may be edited for style and length.
Feng Pan, Xin Li, Amalya C. Johnson, Scott Dhuey, Ashley Saunders, Meng-Xia Hu, Jefferson P. Dixon, Sahil Dagli, Sze-Cheung Lau, Tingting Weng, Chih-Yi Chen, Jun-Hao Zeng, Rajas Apte, Tony F. Heinz, Fang Liu, Zi-Lan Deng, Jennifer A. Dionne. Room-temperature valley-selective emission in Si-MoSe2 heterostructures enabled by high-quality-factor chiroptical cavities. Nature Communications, 2025; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-66502-4
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