Le autostrade ottiche per la luce sono al centro delle comunicazioni moderne. Ma quando si tratta di guidare singoli lampi di luce chiamati fotoni, il transito affidabile è molto meno comune. Ora, una collaborazione di ricercatori del Joint Quantum Institute (JQI), guidato dai borsisti JQI Mohammad Hafezi e Edo Waks, ha creato un chip fotonico che genera singoli fotoni, e li guida in giro. Il dispositivo, descritto nel numero del 9 febbraio di Scienza , presenta un modo per la luce quantistica di muoversi senza soluzione di continuità, insensibile a determinati ostacoli.

"Questo progetto incorpora idee ben note che proteggono il flusso di corrente in alcuni dispositivi elettrici, " dice Hafezi. "Ecco, creiamo un ambiente analogo per i fotoni, uno che protegge l'integrità della luce quantistica, anche in presenza di certi difetti».

Il chip inizia con un cristallo fotonico, che è un stabilito, tecnologia versatile utilizzata per creare strade per la luce. Sono realizzati praticando fori attraverso un foglio di semiconduttore. Per i fotoni, lo schema dei fori ripetuti assomiglia molto a un vero cristallo fatto da una griglia di atomi. I ricercatori usano diversi modelli di fori per cambiare il modo in cui la luce si piega e rimbalza attraverso il cristallo. Ad esempio, possono modificare le dimensioni dei fori e le separazioni per creare corsie di viaggio ristrette che consentano il passaggio di determinati colori chiari, mentre proibisce ad altri.

Qualche volta, anche in questi dispositivi accuratamente fabbricati, ci sono difetti che alterano il percorso previsto della luce, facendolo deviare in una direzione inaspettata. Ma piuttosto che liberarsi da ogni difetto, il team JQI mitiga questo problema ripensando alle forme dei fori del cristallo e al modello di cristallo. Nel nuovo chip, praticano migliaia di fori triangolari in una matrice che ricorda il nido d'ape di un'ape. Lungo il centro del dispositivo spostano la spaziatura dei fori, che apre un diverso tipo di corsia di viaggio per la luce. In precedenza, questi ricercatori hanno predetto che i fotoni che si muovono lungo quella linea di fori spostati dovrebbero essere impermeabili a determinati difetti a causa della struttura cristallina complessiva, o topologia. Se la corsia è una strada a tornanti o un tiro dritto, il percorso della luce dall'origine alla destinazione dovrebbe essere assicurato, indipendentemente dai dettagli della strada.

La luce proviene da piccoli frammenti di semiconduttori, soprannominati emettitori quantistici, incorporati nel cristallo fotonico. I ricercatori possono utilizzare i laser per spingere questo materiale a rilasciare singoli fotoni. Ogni emettitore può guadagnare energia assorbendo fotoni laser e perdere energia sputando successivamente quei fotoni, uno alla volta. I fotoni provenienti dai due stati più energetici di un singolo emettitore sono di colore diverso e ruotano in direzioni opposte. Per questo esperimento, il team utilizza i fotoni di un emettitore trovato vicino al centro del chip.

Il team ha testato le capacità del chip cambiando prima un emettitore quantistico dal suo stato di energia più bassa a uno dei suoi due stati di energia più alta. Dopo essersi rilassati, l'emettitore emette un fotone nella vicina corsia di viaggio. Hanno continuato questo processo molte volte, utilizzando i fotoni dei due stati di energia superiore. Videro che i fotoni emessi dai due stati preferivano viaggiare in direzioni opposte, che era la prova della topologia cristallina sottostante.

Per confermare che il progetto potrebbe effettivamente offrire corsie di traffico protette per singoli fotoni, il team ha creato una svolta di 60 gradi nello schema dei fori. Nei tipici cristalli fotonici, senza dispositivi di protezione incorporati, un tale attorcigliamento farebbe probabilmente riflettere parte della luce all'indietro o disperdersi altrove. In questo nuovo chip, la topologia ha protetto i fotoni e ha permesso loro di continuare il loro cammino senza ostacoli.

"Su internet, le informazioni si muovono in pacchetti di luce contenenti molti fotoni, e perderne qualcuno non ti fa troppo male", afferma il coautore Sabyasachi Barik, uno studente laureato presso JQI. "Nell'elaborazione quantistica delle informazioni, dobbiamo proteggere ogni singolo fotone e assicurarci che non si perda lungo la strada. Il nostro lavoro può alleviare alcune forme di perdita, anche quando il dispositivo non è completamente perfetto."

Il design è flessibile, e potrebbe consentire ai ricercatori di assemblare sistematicamente percorsi per singoli fotoni, dice Waks. "Un tale approccio modulare può portare a nuovi tipi di dispositivi ottici e consentire interazioni su misura tra emettitori di luce quantistica o altri tipi di materia".