La più piccola quantità di luce che puoi avere è un fotone, così debole che è praticamente invisibile agli umani. Mentre impercettibile, questi minuscoli puntini di energia sono utili per trasportare informazioni quantistiche in giro. Idealmente, ogni corriere quantistico sarebbe lo stesso, ma non esiste un modo semplice per produrre un flusso di fotoni identici. Questo è particolarmente difficile quando i singoli fotoni provengono da chip fabbricati.

Ora, i ricercatori del Joint Quantum Institute (JQI) hanno dimostrato un nuovo approccio che consente a diversi dispositivi di emettere ripetutamente singoli fotoni quasi identici. Il gruppo, guidato da JQI Fellow Mohammad Hafezi, realizzato un chip di silicio che guida la luce attorno al bordo del dispositivo, dove è intrinsecamente protetto contro le interruzioni. In precedenza, Hafezi e colleghi hanno dimostrato che questo design può ridurre la probabilità di degradazione del segnale ottico. In un articolo pubblicato online il 10 settembre in Natura , il team spiega che la stessa fisica che protegge la luce lungo il bordo del chip garantisce anche una produzione di fotoni affidabile.

fotoni singoli, che sono un esempio di luce quantistica, sono più di una luce davvero fioca. Questa distinzione ha molto a che fare con la provenienza della luce. "Praticamente tutta la luce che incontriamo nella nostra vita quotidiana è piena di fotoni, "dice Elizabeth Goldschmidt, un ricercatore presso l'US Army Research Laboratory e coautore dello studio. "Ma a differenza di una lampadina, ci sono alcune sorgenti che effettivamente emettono luce, un fotone alla volta, e questo può essere descritto solo dalla fisica quantistica, " aggiunge Goldschmidt.

Molti ricercatori stanno lavorando alla costruzione di emettitori di luce quantistica affidabili in modo che possano isolare e controllare le proprietà quantistiche dei singoli fotoni. Goldschmidt spiega che tali sorgenti di luce saranno probabilmente importanti per i futuri dispositivi di informazione quantistica, oltre a comprendere ulteriormente i misteri della fisica quantistica. "Le moderne comunicazioni si basano molto sulla luce non quantistica, " dice Goldschmidt. "Allo stesso modo, molti di noi credono che saranno necessari singoli fotoni per qualsiasi tipo di applicazione di comunicazione quantistica là fuori."

Gli scienziati possono generare luce quantistica utilizzando un processo naturale di cambiamento del colore che si verifica quando un raggio di luce passa attraverso determinati materiali. In questo esperimento il team ha utilizzato silicio, una scelta industriale comune per guidare la luce, per convertire la luce laser infrarossa in coppie di singoli fotoni di colore diverso.

Hanno iniettato luce in un chip contenente una serie di minuscoli anelli di silicio. Al microscopio, i circuiti sembrano circuiti di vetro collegati tra loro. La luce circola intorno a ogni anello migliaia di volte prima di passare a un anello vicino. disteso, il percorso della luce sarebbe lungo diversi centimetri, ma gli anelli consentono di adattare il viaggio in uno spazio che è circa 500 volte più piccolo. Il viaggio relativamente lungo è necessario per ottenere molte coppie di singoli fotoni dal chip di silicio.

Tali array di loop sono usati abitualmente come sorgenti di singoli fotoni, ma piccole differenze tra i chip faranno variare i colori dei fotoni da un dispositivo all'altro. Anche all'interno di un singolo dispositivo, difetti casuali nel materiale possono ridurre la qualità media dei fotoni. Questo è un problema per le applicazioni di informazione quantistica in cui i ricercatori hanno bisogno che i fotoni siano il più vicino possibile all'identico.

Il team ha aggirato questo problema disponendo gli anelli in modo tale da consentire sempre alla luce di viaggiare indisturbata lungo il bordo del chip, anche se sono presenti difetti di fabbricazione. Questo design non solo protegge la luce dalle interruzioni, ma limita anche il modo in cui i singoli fotoni si formano all'interno di quei canali marginali. Il layout del ciclo essenzialmente costringe ogni coppia di fotoni ad essere quasi identica alla successiva, indipendentemente dalle differenze microscopiche tra gli anelli. La parte centrale del chip non contiene percorsi protetti, e quindi tutti i fotoni creati in quelle aree sono affetti da difetti del materiale.

I ricercatori hanno confrontato i loro chip con quelli senza percorsi protetti. Hanno raccolto coppie di fotoni dai diversi chip, contando il numero emesso e annotando il loro colore. Hanno osservato che la loro sorgente di luce quantistica produceva in modo affidabile alta qualità, fotoni monocolore più e più volte, mentre l'output del chip convenzionale era più imprevedibile.

"Inizialmente pensavamo che avremmo dovuto stare più attenti con il design, e che i fotoni sarebbero più sensibili al processo di fabbricazione del nostro chip, "dice Sunil Mittal, un ricercatore post-dottorato JQI e autore principale del nuovo studio. "Ma, sorprendentemente, i fotoni generati in questi canali di bordo schermati sono sempre quasi identici, indipendentemente da quanto male siano i chip."

Mittal aggiunge che questo dispositivo ha un ulteriore vantaggio rispetto ad altre sorgenti di singoli fotoni. "Il nostro chip funziona a temperatura ambiente. Non devo raffreddarlo a temperature criogeniche come altre sorgenti di luce quantistica, rendendolo una configurazione relativamente molto semplice."

Il team afferma che questa scoperta potrebbe aprire una nuova strada di ricerca, che unisce la luce quantistica con dispositivi fotonici dotati di funzioni protettive integrate. "I fisici si sono resi conto solo di recente che i percorsi schermati alterano fondamentalmente il modo in cui i fotoni interagiscono con la materia, " dice Mittal. "Questo potrebbe avere implicazioni per una varietà di campi in cui le interazioni luce-materia giocano un ruolo, compresa la scienza dell'informazione quantistica e la tecnologia optoelettronica".