Un team internazionale guidato dall'Institute for Molecular Engineering dell'Università di Chicago ha scoperto come manipolare una strana interfaccia quantistica tra luce e materia nel carburo di silicio lungo le lunghezze d'onda utilizzate nelle telecomunicazioni.

Il lavoro avanza la possibilità di applicare i principi della meccanica quantistica alle reti in fibra ottica esistenti per comunicazioni sicure e calcolo quantistico geograficamente distribuito. Il prof. David Awschalom e i suoi 13 coautori hanno annunciato la loro scoperta nel numero del 23 giugno di Revisione fisica X .

"Il carburo di silicio è attualmente utilizzato per costruire un'ampia varietà di dispositivi elettronici classici, " disse Awschalom, il professore della famiglia Liew in ingegneria molecolare all'UChicago e uno scienziato senior all'Argonne National Laboratory. "Tutti i protocolli di elaborazione sono in atto per fabbricare piccoli dispositivi quantistici con questo materiale. Questi risultati offrono un percorso per portare la fisica quantistica nel mondo tecnologico".

I risultati si basano in parte su modelli teorici dei materiali eseguiti dai coautori di Awschalom presso l'Accademia delle scienze ungherese a Budapest. Un altro gruppo di ricerca dell'Università svedese di Linköping ha coltivato gran parte del materiale in carburo di silicio che il team di Awschalom ha testato negli esperimenti a UChicago. E un altro team presso i National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology in Giappone ha aiutato i ricercatori dell'UChicago a creare difetti quantistici nei materiali irradiandoli con fasci di elettroni.

La meccanica quantistica governa il comportamento della materia a livello atomico e subatomico in modi esotici e controintuitivi rispetto al mondo quotidiano della fisica classica. La nuova scoperta si basa su un'interfaccia quantistica all'interno di difetti su scala atomica nel carburo di silicio che genera la fragile proprietà dell'entanglement, uno dei fenomeni più strani previsti dalla meccanica quantistica.

Entanglement significa che due particelle possono essere così inestricabilmente connesse che lo stato di una particella può influenzare istantaneamente lo stato dell'altra, non importa quanto siano distanti.

"Questa natura non intuitiva della meccanica quantistica potrebbe essere sfruttata per garantire che le comunicazioni tra due parti non vengano intercettate o alterate, "Ha detto Awschalom.

Sfruttare la meccanica quantistica

I risultati migliorano l'opportunità una volta inaspettata di creare e controllare stati quantistici in materiali che hanno già applicazioni tecnologiche, Awschalom ha notato. Il perseguimento del potenziale scientifico e tecnologico di tali progressi diventerà il fulcro del Chicago Quantum Exchange appena annunciato, che Awschalom dirigerà.

Un aspetto particolarmente intrigante del nuovo articolo era che i difetti dei semiconduttori di carburo di silicio hanno un'affinità naturale per il movimento delle informazioni tra luce e spin (una proprietà magnetica degli elettroni). "Una chiave sconosciuta è sempre stata se potessimo trovare un modo per convertire i loro stati quantistici in luce, "ha detto David Christle, uno studioso post-dottorato presso l'Università di Chicago e autore principale del lavoro. "Sapevamo che doveva esistere un'interfaccia di materia leggera, ma potremmo essere stati sfortunati e trovarlo intrinsecamente inadatto a generare entanglement. Siamo stati molto fortunati in quanto le transizioni ottiche e il processo che converte lo spin in luce sono di altissima qualità".

Il difetto è un atomo mancante che fa sì che gli atomi vicini nel materiale riorganizzino i loro elettroni. L'atomo mancante, o il difetto stesso, crea uno stato elettronico che i ricercatori controllano con un laser a infrarossi sintonizzabile.

"Quale qualità significa fondamentalmente è:quanti fotoni puoi ottenere prima di aver distrutto lo stato quantico dello spin?" disse Abram Falk, un ricercatore presso l'IBM Thomas J. Watson Research Center di Yorktown Heights, N.Y., che ha familiarità con l'opera ma non è un coautore dell'articolo.

I ricercatori di UChicago hanno scoperto che potrebbero potenzialmente generare fino a 10, 000 fotoni, o pacchetti di luce, prima che distruggessero lo stato di rotazione. "Sarebbe un record mondiale in termini di cosa si potrebbe fare con uno di questi tipi di stati di difetto, " ha aggiunto Falk.

Il team di Awschalom è stato in grado di trasformare in luce lo stato quantistico delle informazioni dagli spin di singoli elettroni nei wafer commerciali di carburo di silicio e di leggerlo con un'efficienza di circa il 95%.

Coerenza al millisecondo

La durata dello stato di rotazione, chiamato coerenza, che il team di Awschalom ha raggiunto è stata di un millisecondo. Non molto per gli standard dell'orologio, ma parecchio nel regno degli stati quantistici, in cui è possibile eseguire più calcoli in un nanosecondo, o un miliardesimo di secondo.

L'impresa apre nuove possibilità nel carburo di silicio perché i suoi difetti su scala nanometrica sono una piattaforma leader per le nuove tecnologie che cercano di utilizzare le proprietà della meccanica quantistica per l'elaborazione delle informazioni quantistiche, rilevamento di campi magnetici ed elettrici e temperatura con risoluzione su scala nanometrica, e comunicazioni sicure usando la luce.

"C'è un'industria da miliardi di dollari di elettronica di potenza costruita su carburo di silicio, " Falk ha detto. "Dopo questo lavoro, c'è l'opportunità di costruire una piattaforma per la comunicazione quantistica che sfrutti questi dispositivi classici molto avanzati nell'industria dei semiconduttori, " Egli ha detto.

La maggior parte dei ricercatori che studiano i difetti per le applicazioni quantistiche si sono concentrati su un difetto atomico nel diamante, che è diventato un popolare banco di prova della luce visibile per queste tecnologie.

"Il diamante è stata questa enorme industria del lavoro di controllo quantistico, " ha osservato Falk. Decine di gruppi di ricerca in tutto il paese hanno trascorso più di un decennio a perfezionare il materiale per raggiungere gli standard che il gruppo di Awschalom ha padroneggiato nel carburo di silicio dopo solo pochi anni di indagini.

Versatilità del carburo di silicio

"Esistono molte forme diverse di carburo di silicio, e alcuni di questi sono comunemente usati oggi in elettronica e optoelettronica, " Awschalom ha detto. "Gli stati quantistici sono presenti in tutte le forme di carburo di silicio che abbiamo esplorato. Questo è di buon auspicio per l'introduzione degli effetti della meccanica quantistica nelle tecnologie sia elettroniche che ottiche".

I ricercatori ora stanno cominciando a chiedersi se questo tipo di fisica possa funzionare anche in altri materiali, ha notato Falk.

"Inoltre, possiamo progettare razionalmente un difetto che ha le proprietà che vogliamo, non solo inciampare in uno?" chiese.

I difetti sono la chiave.

"Per decenni l'industria elettronica ha escogitato una miriade di trucchi per rimuovere tutti i difetti dai propri dispositivi perché i difetti spesso causano problemi nell'elettronica convenzionale, " Awschalom ha spiegato. "Ironicamente, stiamo rimettendo i difetti nei sistemi quantistici."