Un’interfaccia fotone-emettitore quantisticamente coerente nella banda di telecomunicazioni originale

Le tecnologie quantistiche, dispositivi che svolgono funzioni specifiche sfruttando gli effetti della meccanica quantistica, potrebbero presto superare le loro controparti classiche in alcuni compiti. Gli emettitori quantistici, dispositivi che rilasciano singole particelle di luce (ovvero fotoni), sono componenti centrali di molte di queste tecnologie, inclusi i sistemi di comunicazione quantistica e i computer quantistici.

Per garantire il funzionamento affidabile delle tecnologie quantistiche, gli emettitori devono emettere fotoni con elevata consistenza e coerenza. In altre parole, devono assicurare che le proprietà quantistiche dei fotoni emessi rimangano stabili e prevedibili.

I ricercatori del Niels Bohr Institute dell’Università di Copenaghen, della Ruhr-Universität Bochum, dell’Università di Basilea e di Sparrow Quantum ApS hanno recentemente sviluppato un nuovo emettitore di fotoni basato su punti quantici, minuscole strutture in grado di intrappolare gli elettroni in regioni confinate e di consentire l’emissione controllata di singoli fotoni.

Il dispositivo da loro sviluppato, presentato in un articolo pubblicato su Nature Nanotechnology , opera nella banda O delle telecomunicazioni, risultando quindi direttamente compatibile con i sistemi di comunicazione esistenti. Ciò significa che potrebbe potenzialmente essere utilizzato per sviluppare sistemi di comunicazione quantistica su larga scala e, potenzialmente, persino un internet quantistico.

“L’obiettivo era quello di collegare una sorgente di luce quantistica di prim’ordine con la tecnologia ottica che già sappiamo come scalare”, ha dichiarato a Tech Xplore Marcus Albrechtsen, primo autore dell’articolo.

“Nello specifico, i punti quantici sono emettitori eccellenti, ma storicamente i migliori operavano a lunghezze d’onda incompatibili con le telecomunicazioni e la fotonica al silicio. Noi volevamo punti quantici coerenti a livello quantistico direttamente nella banda originale delle telecomunicazioni (la cosiddetta banda O intorno ai 1300 nm).”

Emettitori di telecomunicazioni coerenti basati su punti quantici

Questo recente studio è frutto di una collaborazione di lunga data tra scienziati del Niels Bohr Institute, dell’Università della Ruhr di Bochum e dell’Università di Basilea. Il suo obiettivo principale era quello di consentire l’emissione di fotoni a lunghezze d’onda di telecomunicazione, senza però introdurre rumore (ovvero, disturbi ambientali indesiderati) che tipicamente compromettono la coerenza e alterano gli stati quantistici dei fotoni emessi.

“La svolta decisiva a Bochum è stata quella di far crescere uno strato di riduzione delle tensioni sopra i punti quantici senza introdurre difetti nel materiale che avrebbero poi degradato i fotoni”, ha affermato Albrechtsen.

“Utilizzando tecniche avanzate di nanofabbricazione nella camera bianca del Niels Bohr Institute, questi campioni sono stati trasformati in circuiti fotonici quantistici con controllo elettrico, senza compromettere l’elevata qualità intrinseca dei cristalli. Abbiamo poi misurato i campioni in laboratori di ottica in un ambiente ultrafreddo a -269 °C, ovvero 4 Kelvin, solo 4 gradi sopra lo zero assoluto, utilizzando una speciale stazione criogenica a Copenaghen.”

I punti quantici sono essenzialmente minuscoli atomi artificiali confinati in un chip realizzato con materiali semiconduttori. Proprio come gli atomi reali, queste minuscole strutture possiedono stati energetici discreti e possono essere eccitate o rilassate.

“Realizziamo dei dispositivi attorno a questi punti e puntiamo un laser su di essi, il che fa sì che i punti si eccitino”, ha spiegato Albrechtsen.

“Dopo un breve intervallo di tempo, questi fotoni decadono, emettendo un singolo fotone nella struttura nanofotonica circostante. Il controllo elettrico dei dispositivi permette di stabilizzare il rumore lento, in modo che i fotoni emessi uno dopo l’altro risultino pressoché identici.”

Nel dispositivo del team, i singoli punti quantici sono alloggiati in un cosiddetto diodo PIN . Si tratta di un dispositivo a tre strati (ovvero, un semiconduttore di tipo p, una regione semiconduttrice intrinseca non drogata e un semiconduttore di tipo n), che stabilizza le cariche elettriche vicine che altrimenti sposterebbero l’energia dei fotoni da un evento di emissione all’altro.

“Progettiamo una guida d’onda a cristallo fotonico attorno ai punti quantici”, ha affermato Albrechtsen. “Questo potenzia l’emissione di singoli fotoni (un processo noto come effetto Purcell) all’interno della guida d’onda, riducendo la finestra temporale in cui il rumore residuo può disturbare il processo e consentendo l’instradamento e la manipolazione dei singoli fotoni per applicazioni quantistiche.”

Il nuovo emettitore di fotoni creato da Albrechtsen e dai suoi colleghi permette l’emissione di fotoni luminosi, mantenendo al contempo la coerenza quantistica e operando direttamente alle lunghezze d’onda delle telecomunicazioni. La combinazione di queste tre proprietà si è rivelata finora difficile da ottenere e potrebbe essere estremamente vantaggiosa per lo sviluppo di grandi sistemi di comunicazione quantistica.

“Abbiamo dimostrato la presenza di punti quantici nella banda O con linee di emissione più ampie di circa l’8% rispetto al limite fondamentale della durata di vita”, ha affermato Albrechtsen.

“Questo significa che, nell’arco di diversi secondi, con oltre 40 milioni di singoli fotoni inviati al secondo nella guida d’onda, almeno il 92% di essi sono identici. Questa è la coerenza quantistica, ed è fondamentale per le applicazioni pratiche di tali interfacce fotone-materia.”

Contribuire allo sviluppo di un internet quantistico

Questo recente studio potrebbe aprire nuove ed entusiasmanti possibilità per lo sviluppo di sistemi di comunicazione quantistica e potenzialmente anche per la realizzazione di un internet quantistico.

“Fino ad ora, i fotoni emessi venivano filtrati per utilizzare solo quelli identici, tuttavia, questo comportava un elevato costo in termini di efficienza che ne limitava la portata e l’utilizzabilità”, ha spiegato Leonardo Midolo, responsabile principale dello studio.

“Ora si può sfruttare appieno il potenziale dei punti quantici, rendendoli compatibili con le infrastrutture di telecomunicazione e offrendo funzionalità per applicazioni scalabili. Questo permette di collegare gli emettitori quantistici coerenti con le fibre a bassa perdita e la fotonica al silicio, senza necessità di conversione di frequenza.”

Il dispositivo sviluppato dai ricercatori potrebbe essere utilizzato per creare sistemi quantistici fotonici scalabili, inclusi grandi sistemi di comunicazione sicuri e tecnologie di rilevamento ad alta precisione. Inoltre, potrebbe essere integrato con altri componenti per creare computer quantistici tolleranti ai guasti (ovvero, sistemi di calcolo quantistico robusti contro il rumore e con errori minimi).

“Il prossimo passo è passare da un singolo emettitore di eccellente qualità a circuiti fotonici integrati più complessi”, ha affermato Midolo.

“Vogliamo integrare più punti quantici per telecomunicazioni sullo stesso chip, sintonizzati in risonanza e collegati tramite circuiti ottici a bassa perdita. In questo contesto, un vantaggio fondamentale del funzionamento nella banda delle telecomunicazioni è la compatibilità diretta con i circuiti fotonici integrati su silicio su isolante (SII), che sono stati ampiamente sviluppati negli ultimi due decenni.”

Nell’ambito dei loro prossimi studi, Midolo e i suoi colleghi prevedono di ampliare il loro progetto e integrare più emettitori di fotoni basati su punti quantici. Ciò potrebbe consentire l’introduzione di nuovi protocolli di comunicazione quantistica basati sull’entanglement, che potrebbero rivelarsi promettenti per la futura realizzazione di un internet quantistico.

“In questo studio regoliamo l’emissione su un ampio intervallo, il che è importante per far combaciare diversi punti quantici nonostante le naturali differenze di fabbricazione”, ha affermato Midolo.

“Le direzioni future includeranno l’integrazione eterogenea con la fotonica al silicio, che offre chip fotonici a bassissima perdita per instradare ed elaborare le informazioni quantistiche. Ad esempio, queste tecnologie possono essere combinate utilizzando la stampa a microtrasferimento o il wafer bonding.”

“In effetti, il materiale ospite nativo dei punti quantici, l’arseniuro di gallio, è di per sé un materiale eccellente per i circuiti fotonici integrati e, a queste lunghezze d’onda delle telecomunicazioni, la sua perdita è di gran lunga inferiore rispetto alle lunghezze d’onda del vicino infrarosso, dove hanno operato i migliori punti quantici finora.”

I punti quantici hanno stabilito parametri di riferimento che superano di gran lunga altri emettitori quantistici grazie alla loro capacità di fornire fotoni puri, di alta qualità e ad alta frequenza. Tuttavia, raggiungere queste eccezionali capacità alle lunghezze d’onda delle telecomunicazioni, colmando il divario con le infrastrutture in fibra ottica e la fotonica al silicio scalabile, rimane una sfida. Superare questa difficoltà richiede materiali e dispositivi quantistici di alta qualità che, nonostante gli sforzi profusi, non sono ancora stati realizzati. In questo lavoro dimostriamo punti quantici di InAs integrati in una guida d’onda e realizziamo un’interfaccia fotone-emettitore completamente coerente a livello quantistico, operante nella banda di telecomunicazione originale (o banda O, 1260-1360 nm). Registriamo larghezze di riga limitate dalla trasformata di Fourier, solo dell’8% più ampie dell’inverso del tempo di vita, e una brillante frequenza di emissione di 41,7 MHz sotto eccitazione con impulsi π a 80 MHz. Questi risultati dimostrano il potenziale dei punti quantici per reti quantistiche scalabili.

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