ordinariamente, le particelle di luce, i fotoni, non interagiscono. Se due fotoni si scontrano nel vuoto, passano semplicemente l'uno attraverso l'altro.

Un modo efficiente per far interagire i fotoni potrebbe aprire nuove prospettive sia per l'ottica classica che per l'informatica quantistica, una tecnologia sperimentale che promette grandi accelerazioni su alcuni tipi di calcoli.

Negli ultimi anni, i fisici hanno permesso interazioni fotone-fotone utilizzando atomi di elementi rari raffreddati a temperature molto basse.

Ma nell'ultimo numero di Lettere di revisione fisica , I ricercatori del MIT descrivono una nuova tecnica per consentire interazioni fotone-fotone a temperatura ambiente, utilizzando un cristallo di silicio con motivi distintivi incisi su di esso. Nel gergo della fisica, il cristallo introduce "non linearità" nella trasmissione di un segnale ottico.

"Tutti questi approcci che avevano atomi o particelle simili ad atomi richiedono basse temperature e funzionano su una banda di frequenza ristretta, "dice Dirk Englund, professore associato di ingegneria elettrica e informatica al MIT e autore senior del nuovo documento. "È stato un santo graal trovare metodi per realizzare non linearità a livello di singolo fotone a temperatura ambiente in condizioni ambientali".

Insieme a Englund sulla carta ci sono Hyeongrak Choi, uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica, e Mikkel Heuck, che era un postdoc nel laboratorio di Englund quando il lavoro è stato fatto ed è ora presso l'Università Tecnica della Danimarca.

Indipendenza fotonica

I computer quantistici sfruttano una strana proprietà fisica chiamata "sovrapposizione, " in cui si può dire che una particella quantistica abita contemporaneamente due stati contraddittori. Lo spin, o orientamento magnetico, di un elettrone, ad esempio, potrebbe essere sia su che giù allo stesso tempo; la polarizzazione di un fotone potrebbe essere sia verticale che orizzontale.

Se una stringa di bit quantistici, o qubit, l'analogo quantistico dei bit in un computer classico è in sovrapposizione, può, in un certo senso, ricercare più soluzioni allo stesso problema contemporaneamente, ecco perché i computer quantistici promettono accelerazioni.

La maggior parte dei qubit sperimentali utilizza ioni intrappolati in campi magnetici oscillanti, circuiti superconduttori, o, come la ricerca di Englund, difetti nella struttura cristallina dei diamanti. Con tutte queste tecnologie, però, le sovrapposizioni sono difficili da mantenere.

Poiché i fotoni non sono molto suscettibili alle interazioni con l'ambiente, sono bravi a mantenere la sovrapposizione; ma per lo stesso motivo, sono difficili da controllare. E il calcolo quantistico dipende dalla capacità di inviare segnali di controllo ai qubit.

È qui che entra in gioco il nuovo lavoro dei ricercatori del MIT. Se un singolo fotone entra nel loro dispositivo, passerà senza ostacoli. Ma se due fotoni, negli stati quantistici corretti, tentano di entrare nel dispositivo, saranno riflessi indietro.

Si può quindi pensare che lo stato quantistico di uno dei fotoni controlli lo stato quantico dell'altro. E la teoria dell'informazione quantistica ha stabilito che semplici "porte" quantistiche di questo tipo sono tutto ciò che è necessario per costruire un computer quantistico universale.

Risonanza antipatica

Il dispositivo dei ricercatori consiste in un lungo, stretto, cristallo di silicio rettangolare con fori regolarmente distanziati incisi su di esso. I fori sono più larghi alle estremità del rettangolo, e si restringono verso il suo centro. Il collegamento dei due fori centrali è un canale ancora più stretto, e al suo centro, sui lati opposti, sono due punte affilate concentriche. Lo schema dei fori intrappola temporaneamente la luce nel dispositivo, e le punte concentriche concentrano il campo elettrico della luce intrappolata.

I ricercatori hanno prototipato il dispositivo e hanno dimostrato che confinava la luce e concentrava il campo elettrico della luce nella misura prevista dai loro modelli teorici. Ma trasformare il dispositivo in una porta quantistica richiederebbe un altro componente, un dielettrico inserito tra le punte. (Un dielettrico è un materiale che normalmente è elettricamente isolante ma si polarizza - tutte le sue cariche positive e negative si allineeranno nella stessa direzione - quando esposto a un campo elettrico.)

Quando un'onda luminosa passa vicino a un dielettrico, il suo campo elettrico sposterà leggermente gli elettroni degli atomi del dielettrico. Quando gli elettroni tornano indietro, oscillano, come l'altalena di un bambino quando viene spinta troppo forte. Questa è la non linearità sfruttata dal sistema dei ricercatori.

La dimensione e la spaziatura dei fori nel dispositivo sono adattate a una specifica frequenza della luce, la "frequenza di risonanza" del dispositivo. Ma l'oscillazione non lineare degli elettroni del dielettrico dovrebbe spostare quella frequenza.

ordinariamente, quel cambiamento è abbastanza mite da essere trascurabile. Ma poiché le punte affilate nel dispositivo dei ricercatori concentrano i campi elettrici dei fotoni in entrata, esagerano anche lo spostamento. Un singolo fotone potrebbe ancora passare attraverso il dispositivo. Ma se due fotoni tentassero di entrarvi, il cambiamento sarebbe stato così drammatico che sarebbero stati respinti.

Potenziale pratico

Il dispositivo può essere configurato in modo che il drammatico cambiamento nella frequenza di risonanza si verifichi solo se i fotoni che tentano di entrarvi hanno particolari proprietà quantistiche, combinazioni specifiche di polarizzazione o fase, ad esempio. Lo stato quantistico di un fotone potrebbe quindi determinare il modo in cui viene gestito l'altro fotone, il requisito di base per una porta quantistica.

Englund sottolinea che la nuova ricerca non produrrà un computer quantistico funzionante nell'immediato futuro. Troppo spesso, la luce che entra nel prototipo è ancora dispersa o assorbita, e gli stati quantistici dei fotoni possono diventare leggermente distorti. Ma altre applicazioni potrebbero essere più fattibili nel breve termine. Ad esempio, una versione del dispositivo potrebbe fornire una fonte affidabile di singoli fotoni, che sarebbe di grande aiuto per una serie di ricerche nella scienza dell'informazione quantistica e nelle comunicazioni.

"Questo lavoro è davvero notevole e unico perché mostra una forte interazione luce-materia, localizzazione della luce, e l'immagazzinamento relativamente lungo di fotoni su una scala così piccola in un semiconduttore, "dice Mohammad Soltani, un ricercatore di nanofotonica nel Quantum Information Processing Group di Raytheon BBN Technologies. "Può consentire cose che prima erano discutibili, come le porte non lineari a singolo fotone per le informazioni quantistiche. Funziona a temperatura ambiente, è allo stato solido, ed è compatibile con la produzione di semiconduttori. Questo lavoro è tra i più promettenti fino ad oggi per dispositivi pratici, come i dispositivi di informazione quantistica".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.