I ricercatori di QuTech hanno costruito un laser a microonde su chip basato su un aspetto fondamentale della superconduttività, l'effetto AC Josephson. Il dispositivo è costituito da una singola giunzione Josephson su nanoscala fortemente accoppiata a una cavità superconduttiva. Quando una piccola tensione CC viene applicata attraverso la giunzione da una batteria, la differenza di energia fa sì che le microonde vengano rilasciate quando una coppia Cooper attraversa la giunzione. La cavità fornisce quindi l'amplificazione, risultante in un fascio di luce a microonde coerente da emettere dalla cavità. Il dispositivo potrebbe avere applicazioni nella creazione di un computer quantistico scalabile. Credito:Università di tecnologia di Delft
I laser sono ovunque al giorno d'oggi:i medici li usano per correggere la vista, cassieri per scansionare la tua spesa, e scienziato quantistico per controllare i qubit nel futuro computer quantistico. Per la maggior parte delle applicazioni, l'attuale ingombrante, i laser inefficienti dal punto di vista energetico vanno bene, ma gli scienziati quantistici lavorano a temperature estremamente basse e su scale molto piccole. Da oltre 40 anni, sono alla ricerca di laser a microonde efficienti e precisi che non disturbino l'ambiente molto freddo in cui funziona la tecnologia quantistica.
Un team di ricercatori guidati da Leo Kouwenhoven alla TU Delft ha dimostrato un laser a microonde su chip basato su una proprietà fondamentale della superconduttività, l'effetto ac Josephson. Hanno incorporato una piccola sezione di un superconduttore interrotto, un incrocio Josephson, in una cavità sul chip accuratamente progettata. Un tale dispositivo apre le porte a molte applicazioni in cui la radiazione a microonde con dissipazione minima è fondamentale, ad esempio nel controllo dei qubit in un computer quantistico scalabile.
Gli scienziati hanno pubblicato il loro lavoro in Scienza il 3 marzo.
I laser hanno la capacità unica di emettere perfettamente sincronizzato, luce coerente. Ciò significa che la larghezza della riga (corrispondente al colore) è molto stretta. Tipicamente i laser sono costituiti da un gran numero di emettitori (atomi, molecole, o vettori semiconduttori) all'interno di una cavità. Questi laser convenzionali sono spesso inefficienti, e dissipare molto calore durante il laser. Ciò li rende difficili da operare in ambienti criogenici, come ciò che è necessario per il funzionamento di un computer quantistico.
Giunzione Josephson superconduttiva
Nel 1911, il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes ha scoperto che alcuni materiali passano a uno stato superconduttore a temperature molto basse, permettendo alla corrente elettrica di fluire senza alcuna perdita di energia. Una delle applicazioni più importanti della superconduttività è l'effetto Josephson:se una barriera molto corta interrompe un pezzo di superconduttore, i vettori elettrici attraversano questo materiale non superconduttore secondo le leggi della meccanica quantistica. Inoltre, lo fanno a una frequenza molto caratteristica, che può essere variato da una tensione CC applicata esternamente. La giunzione Josephson è quindi un perfetto convertitore da tensione a luce (frequenza).
laser di giunzione Josephson
Gli scienziati di QuTech hanno accoppiato una tale singola giunzione Josephson a una microcavità superconduttiva con fattore di alta qualità, non più grande di una formica. La giunzione Josephson agisce come un singolo atomo, mentre la cavità può essere vista come due specchi per la luce delle microonde. Quando viene applicata una piccola tensione CC a questa giunzione Josephson, emette fotoni a microonde che sono in risonanza con la frequenza della cavità. I fotoni rimbalzano avanti e indietro tra due specchi superconduttori, e costringere la giunzione Josephson ad emettere più fotoni sincronizzati con i fotoni nella cavità. Raffreddando il dispositivo fino a temperature ultra-basse ( <1 Kelvin) e applicando una piccola tensione continua alla giunzione Josephson, i ricercatori osservano un fascio coerente di fotoni a microonde emesso all'uscita della cavità. Poiché il laser su chip è composto interamente da superconduttori, è molto efficiente dal punto di vista energetico e più stabile rispetto ai laser basati su semiconduttori precedentemente dimostrati. Utilizza meno di un picoWatt di potenza per funzionare, più di 100 miliardi di volte meno di un globo luminoso.
Controllo quantistico a bassa perdita
Fonti efficienti di luce a microonde coerente di alta qualità sono essenziali in tutti i progetti attuali del futuro computer quantistico. Le raffiche di microonde vengono utilizzate per leggere e trasferire informazioni, correggere gli errori e accedere e controllare i singoli componenti quantistici. Mentre le attuali sorgenti a microonde sono costose e inefficienti, il laser a giunzione Josephson creato da QuTech è efficiente dal punto di vista energetico e offre una soluzione su chip facile da controllare e modificare. Il gruppo sta estendendo il proprio progetto per utilizzare giunzioni Josephson sintonizzabili realizzate con nanofili per consentire il burst di microonde per il controllo rapido di più componenti quantistici. Nel futuro, un tale dispositivo può essere in grado di generare la cosiddetta luce "comprimibile in ampiezza" con fluttuazioni di intensità inferiori rispetto ai laser convenzionali, questo è essenziale nella maggior parte dei protocolli di comunicazione quantistica. Questo lavoro segna un passo importante verso il controllo di grandi sistemi quantistici per l'informatica quantistica.
