Illustrazione di una pistola fotonica. Un punto quantico (il simbolo giallo) emette un fotone (pacchetto d'onda rosso) alla volta. Il punto quantico è incorporato in una struttura a cristalli fotonici, che si ottiene incidendo fori (cerchi neri) in un materiale semiconduttore. A causa dei fori, i fotoni non possono essere emessi in tutte le direzioni, ma solo lungo la guida d'onda, che si forma omettendo un certo numero di fori. Credito:Søren Stobbe, NBI
Le nanostrutture fotoniche avanzate sono sulla buona strada per rivoluzionare la tecnologia quantistica per le reti quantistiche basate sulla luce. I ricercatori dell'Istituto Niels Bohr hanno ora sviluppato i primi elementi costitutivi necessari per costruire circuiti fotonici quantistici complessi per reti quantistiche. Questo rapido sviluppo nelle reti quantistiche è evidenziato in un articolo sulla rivista Natura .
La tecnologia quantistica basata sulla luce (fotoni) è chiamata fotonica quantistica, mentre l'elettronica è basata sugli elettroni. I fotoni (particelle di luce) e gli elettroni si comportano diversamente a livello quantistico. Un'entità quantistica è l'unità più piccola del mondo microscopico. Per esempio, i fotoni sono il costituente fondamentale della luce e gli elettroni della corrente elettrica. Gli elettroni sono i cosiddetti fermioni e possono essere facilmente isolati per condurre la corrente un elettrone alla volta. Al contrario i fotoni sono bosoni, che preferiscono raggrupparsi. Ma poiché le informazioni per la comunicazione quantistica basata sulla fotonica sono codificate in un singolo fotone, è necessario emetterli e inviarli uno alla volta.
Maggiore capacità informativa
L'informazione basata sui fotoni ha grandi vantaggi; i fotoni interagiscono solo debolmente con l'ambiente - a differenza degli elettroni, quindi i fotoni non perdono molta energia lungo il percorso e possono quindi essere inviati su lunghe distanze. I fotoni sono quindi molto adatti per trasportare e distribuire informazioni e una rete quantistica basata su fotoni sarà in grado di codificare molte più informazioni di quanto sia possibile con l'attuale tecnologia informatica e le informazioni non potrebbero essere intercettate lungo il percorso.
Molti gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno lavorando intensamente in questo campo di ricerca, che si sta sviluppando rapidamente e infatti stanno iniziando a essere fabbricati i primi prodotti commerciali di fotonica quantistica.
Emissione direzionale di fotoni. La figura mostra i calcoli dell'emissione di fotoni nella nuova sorgente direzionale a singolo fotone. Se lo spin dell'elettrone del punto quantico punta verso l'alto, il fotone sarà emesso in una direzione (blu). Se lo spin dell'elettrone del punto quantico punta verso il basso, il fotone verrà emesso nella direzione opposta (rosso). Credito:Sahand Mahmoodian e Søren Stobbe, NBI
Controllo dei fotoni
Un prerequisito per le reti quantistiche è la capacità di creare un flusso di singoli fotoni su richiesta ei ricercatori del Niels Bohr Institute sono riusciti a fare esattamente questo.
"Abbiamo sviluppato un chip fotonico, che funge da pistola fotonica. Il chip fotonico è costituito da un cristallo estremamente piccolo largo 10 micron e spesso 160 nanometri. Incorporato nel mezzo del chip è una fonte di luce, che è un cosiddetto punto quantico. Illuminare il punto quantico con la luce laser eccita un elettrone, che può quindi saltare da un'orbita all'altra e quindi emettere un singolo fotone alla volta. I fotoni sono generalmente emessi in tutte le direzioni, ma il chip fotonico è progettato in modo che tutti i fotoni vengano inviati attraverso una guida d'onda fotonica, " spiega Peter Lodahl, professore e capo del gruppo di ricerca sulla fotonica quantistica presso l'Istituto Niels Bohr, Università di Copenaghen.
In un lungo, processo laborioso, il gruppo di ricerca ha ulteriormente sviluppato e testato il chip fotonico fino a quando non ha raggiunto un'efficienza estrema e Peter Lodahl spiega che era particolarmente sorprendente che potessero ottenere l'emissione di fotoni in un modo che prima non si pensava possibile. Normalmente, i fotoni sono trasmessi in entrambe le direzioni nella guida d'onda fotonica, ma nel loro chip fotonico su misura potrebbero rompere questa simmetria e far sì che il punto quantico distingua tra l'emissione di un fotone a destra o a sinistra, ciò significa emettere fotoni direzionali. Ciò significa il pieno controllo sui fotoni e i ricercatori stanno iniziando a esplorare come costruire sistemi di rete quantistica completi basati sulla nuova scoperta.
"I fotoni possono essere inviati su lunghe distanze tramite fibre ottiche, dove sfrecciano attraverso le fibre con pochissima perdita. Potresti potenzialmente costruire una rete in cui i fotoni connettono piccoli sistemi quantistici, che vengono poi collegati tra loro in una rete quantistica - un'internet quantistica, " spiega Peter Lodahl.
Aggiunge che mentre le prime funzionalità di base sono già una realtà, la grande sfida è ora quella di espanderli a grandi dimensioni, reti quantistiche complesse.
