Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro collaboratori hanno compiuto un nuovo passo avanti nella ricerca di costruire circuiti fotonici quantistici, dispositivi basati su chip che si affidano alle proprietà quantistiche della luce per elaborare e comunicare informazioni in modo rapido e sicuro .

L'architettura del circuito quantistico ideata dal team è tra le prime a combinare due diversi tipi di dispositivi ottici, realizzati con materiali diversi, su un singolo chip, una sorgente a semiconduttore che genera in modo efficiente singole particelle di luce (fotoni) su richiesta, e una rete di "guide d'onda" che trasporta quei fotoni attraverso il circuito con bassa perdita. Massimizzando il numero di fotoni, idealmente con proprietà identiche, è fondamentale per abilitare applicazioni come la comunicazione sicura, misurazione di precisione, rilevamento e calcolo, con prestazioni potenzialmente superiori a quelle delle tecnologie esistenti.

L'architettura, sviluppato da Marcelo Davanco e altri ricercatori del NIST insieme a collaboratori dalla Cina e dal Regno Unito, impiega una struttura a semiconduttore su scala nanometrica chiamata punto quantico, realizzata in arseniuro di indio, per generare singoli fotoni sullo stesso chip delle guide d'onda ottiche, realizzate in nitruro di silicio. La combinazione di questi due materiali richiede tecniche di lavorazione speciali. Tali architetture di circuiti ibridi potrebbero diventare elementi costitutivi per sistemi più complessi.

In precedenza, i circuiti fotonici integrati quantistici in genere consistevano solo di dispositivi passivi come guide d'onda e divisori di fascio, che lasciavano passare i fotoni o permettevano loro di fondersi. I fotoni stessi dovevano ancora essere prodotti all'esterno del chip, e metterli sul chip ha comportato perdite, che ha notevolmente degradato le prestazioni del circuito. Le architetture di circuiti che includevano la generazione di luce quantistica su un chip incorporavano sorgenti che producevano fotoni solo casualmente e a basse velocità, il che limita le prestazioni, oppure avevano sorgenti in cui un fotone non era necessariamente identico al successivo. Inoltre, i processi di fabbricazione che supportano queste architetture precedenti hanno reso difficile aumentare il numero, dimensione e complessità dei circuiti fotonici.

In contrasto, la nuova architettura e i processi di fabbricazione sviluppati dal team dovrebbero consentire ai ricercatori di costruire in modo affidabile circuiti più grandi, che potrebbe eseguire calcoli o simulazioni più complessi e tradursi in una maggiore precisione di misurazione e sensibilità di rilevamento in altre applicazioni.

Il punto quantico impiegato dal team è una struttura su scala nanometrica ben studiata:un'isola di arseniuro di indio semiconduttore circondato da arseniuro di gallio. La nanostruttura arseniuro di indio/arseniuro di gallio agisce come un sistema quantistico con due livelli di energia:uno stato fondamentale (livello energetico inferiore) e uno stato eccitato (livello energetico superiore). Quando un elettrone nello stato eccitato perde energia scendendo allo stato fondamentale, emette un singolo fotone.

A differenza della maggior parte dei tipi di emettitori a due livelli che esistono allo stato solido, questi punti quantici hanno dimostrato di generare, in modo affidabile, su richiesta, e a grandi velocità:i singoli fotoni necessari per le applicazioni quantistiche. Inoltre, i ricercatori sono stati in grado di collocarli all'interno di nanoscala, spazi di confinamento della luce che consentono un grande accelerazione del tasso di emissione del singolo fotone, e in linea di principio potrebbe anche consentire al punto quantico di essere eccitato da un singolo fotone. Ciò consente ai punti quantici di assistere direttamente l'elaborazione delle informazioni anziché semplicemente produrre flussi di fotoni.

L'altra parte dell'architettura del circuito ibrido del team è costituita da guide d'onda passive in nitruro di silicio, noti per la loro capacità di trasmettere fotoni attraverso la superficie di un chip con una perdita di fotoni molto bassa. Ciò consente ai fotoni generati da punti quantici di fondersi in modo efficiente con altri fotoni in un divisore di fascio, o interagire con altri elementi del circuito come modulatori e rilevatori.

"Stiamo ottenendo il meglio da entrambi i mondi, con ciascuno che si comporta davvero bene insieme su un singolo circuito, " disse Davanco. Infatti, l'architettura ibrida mantiene le elevate prestazioni raggiunte in dispositivi realizzati esclusivamente con ciascuno dei due materiali, con poco degrado quando vengono messi insieme. Lui e i suoi colleghi hanno descritto il lavoro in un recente numero di Comunicazioni sulla natura .

Per realizzare i dispositivi ibridi, Davanco e i suoi colleghi hanno prima unito due wafer:uno contenente i punti quantici, l'altro contenente il materiale di guida d'onda al nitruro di silicio. Hanno usato una variazione di un processo che era stato originariamente sviluppato per realizzare laser fotonici ibridi, che combinava silicio per guide d'onda e semiconduttori composti per l'emissione di luce classica. Una volta terminato il legame, i due materiali sono stati quindi scolpiti con risoluzione su scala nanometrica nelle loro geometrie finali attraverso tecniche di modellazione e incisione di dispositivi a semiconduttore all'avanguardia.

Sebbene questa tecnica di incollaggio dei wafer sia stata sviluppata più di dieci anni fa da altri ricercatori, il team è il primo ad applicarlo alla realizzazione di dispositivi fotonici quantistici integrati.

"Poiché abbiamo esperienza sia nella fabbricazione che nella fotonica quantistica, sembrava chiaro che avremmo potuto prendere in prestito e adattare questo processo per creare questa nuova architettura, " nota Davanco.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.