Scienziati del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea e dello Swiss Nanoscience Institute sono riusciti a migliorare notevolmente la qualità dei singoli fotoni generati da un sistema quantistico. Gli scienziati hanno messo in pratica con successo una previsione teorica vecchia di 10 anni. Con la loro carta, pubblicato di recente in Revisione fisica X , hanno compiuto un passo importante verso future applicazioni nella tecnologia dell'informazione quantistica.

Per un certo numero di anni, gli scienziati hanno lavorato sull'utilizzo degli spin di elettroni per memorizzare ed elaborare le informazioni. Un possibile approccio è quello di utilizzare un sistema quantistico in cui lo stato quantistico dello spin dell'elettrone è legato a quello delle particelle luminose emesse (fotoni).

I centri vacanti per l'azoto (centri NV) sono considerati una struttura collaudata per questo approccio, consentendo di leggere e manipolare facilmente gli spin degli elettroni. Questi centri NV sono difetti naturali nel reticolo cristallino del diamante, su cui i ricercatori hanno acquisito il controllo negli ultimi decenni.

Sono necessari fotoni migliori

I centri NV sono particolarmente interessanti nel campo dell'elaborazione quantistica dell'informazione, poiché emettono singoli fotoni che trasportano informazioni sullo stato del loro spin elettronico. Questi fotoni a loro volta possono creare entanglement quantistico tra vari centri NV; questo entanglement si può instaurare anche su grandi distanze e può quindi essere utilizzato per la trasmissione di dati.

Però, per applicazioni nella tecnologia dell'informazione quantistica, saranno necessari miglioramenti significativi nella quantità e soprattutto nella qualità dei fotoni emessi, poiché finora solo una frazione dei fotoni può essere utilizzata per produrre entanglement.

Ottimizzazione riuscita

Il dottorando Daniel Riedel è ora riuscito ad aumentare la resa di fotoni utili da questi centri NV dal 3% a un valore attuale del 50%. Inoltre, è stato in grado di quasi raddoppiare la velocità con cui vengono emessi i fotoni.

Riedel ha ottenuto questi significativi miglioramenti posizionando un pezzo di diamante nanofabbricato, misurando solo poche centinaia di nanometri di diametro, tra due piccoli specchi. Era già stato descritto teoricamente 10 anni fa che il posizionamento di centri NV all'interno di una cavità dovrebbe aumentare la resa dei fotoni. Fino ad ora, però, nessun gruppo di ricerca era riuscito a mettere in pratica questa teoria.

Il documento è emerso come parte di una tesi di dottorato presso la Scuola di dottorato dello Swiss Nanoscience Institute, che è stato istituito nel 2012. "Abbiamo superato un importante ostacolo sulla strada verso l'internet quantistica, " afferma il supervisore professor Richard Warburton del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea.

Professor Patrick Maletinsky, che ha anche supervisionato i lavori, aggiunge:"La combinazione unica di competenze nel campo della fotonica, speciali strutture diamantate e nanofabbricazione qui a Basilea hanno permesso di superare per la prima volta questa sfida vecchia di 10 anni".