Nella ricerca globale per sviluppare dispositivi di calcolo e comunicazione pratici basati sui principi della fisica quantistica, un componente potenzialmente utile si è rivelato sfuggente:una sorgente di singole particelle di luce con perfettamente costante, prevedibile, e caratteristiche costanti. Ora, i ricercatori del MIT e in Svizzera affermano di aver compiuto importanti passi avanti verso una tale singola sorgente di fotoni.

Lo studio, che prevede l'utilizzo di una famiglia di materiali noti come perovskiti per creare particelle che emettono luce chiamate punti quantici, appare oggi sul giornale Scienza . Il documento è dello studente laureato in chimica del MIT Hendrik Utzat, professore di chimica Moungi Bawendi, e altri nove al MIT e all'ETH di Zurigo, Svizzera.

La capacità di produrre singoli fotoni con proprietà precisamente note e persistenti, compresa una lunghezza d'onda, o colore, che non oscilla affatto, potrebbe essere utile per molti tipi di dispositivi quantistici proposti. Poiché ogni fotone sarebbe indistinguibile dagli altri in termini di proprietà quantomeccaniche, potrebbe essere possibile, Per esempio, ritardare uno di loro e poi far interagire la coppia tra loro, in un fenomeno chiamato interferenza.

"Questa interferenza quantistica tra diversi singoli fotoni indistinguibili è la base di molte tecnologie dell'informazione quantistica ottica che utilizzano singoli fotoni come vettori di informazioni, " Spiega Utzat. "Ma funziona solo se i fotoni sono coerenti, il che significa che conservano i loro stati quantistici per un tempo sufficientemente lungo."

Molti ricercatori hanno cercato di produrre sorgenti in grado di emettere singoli fotoni così coerenti, ma tutti hanno avuto dei limiti. Le fluttuazioni casuali nei materiali che circondano questi emettitori tendono a modificare le proprietà dei fotoni in modi imprevedibili, distruggendo la loro coerenza. Trovare materiali emettitori che mantengano la coerenza e siano anche luminosi e stabili è "fondamentalmente una sfida, " Dice Utzat. Questo perché non solo l'ambiente circostante, ma anche i materiali stessi "forniscono essenzialmente un bagno fluttuante che interagisce in modo casuale con lo stato quantico elettronicamente eccitato e cancella la coerenza, " lui dice.

"Senza avere una sorgente di singoli fotoni coerenti, non puoi usare nessuno di questi effetti quantistici che sono il fondamento della manipolazione dell'informazione quantistica ottica, "dice Bawendi, chi è il professore di chimica Lester Wolfe. Un altro importante effetto quantistico che può essere sfruttato avendo fotoni coerenti, lui dice, è l'intreccio, in cui due fotoni si comportano essenzialmente come se fossero uno, condividendo tutte le loro proprietà.

I precedenti materiali colloidali a punti quantici prodotti chimicamente avevano tempi di coerenza impraticabili brevi, ma questo team ha scoperto che realizzare i punti quantici dalle perovskiti, una famiglia di materiali definita dalla loro struttura cristallina, ha prodotto livelli di coerenza più di mille volte migliori rispetto alle versioni precedenti. Le proprietà di coerenza di questi punti quantici di perovskite colloidale si stanno avvicinando ai livelli degli emettitori stabiliti, come difetti simili ad atomi nel diamante o punti quantici cresciuti dai fisici usando l'epitassia del fascio in fase gassosa.

Uno dei grandi vantaggi delle perovskiti, hanno trovato, era che emettono fotoni molto rapidamente dopo essere stati stimolati da un raggio laser. Questa alta velocità potrebbe essere una caratteristica cruciale per potenziali applicazioni di calcolo quantistico. Hanno anche pochissima interazione con l'ambiente circostante, migliorando notevolmente le loro proprietà di coerenza e stabilità.

Tali fotoni coerenti potrebbero essere utilizzati anche per applicazioni di comunicazione con crittografia quantistica, dice Bawendi. Un particolare tipo di intreccio, chiamato entanglement di polarizzazione, può essere la base per comunicazioni quantistiche sicure che sfidano i tentativi di intercettazione.

Ora che il team ha trovato queste proprietà promettenti, il passo successivo è lavorare sull'ottimizzazione e sul miglioramento delle loro prestazioni in modo da renderle scalabili e pratiche. Per una cosa, devono raggiungere il 100% di indistinguibilità nei fotoni prodotti. Finora, hanno raggiunto il 20 per cento, "che è già molto notevole, "Utzat dice, già paragonabili alle coerenze raggiunte da altri materiali, come difetti fluorescenti simili ad atomi nel diamante, che sono sistemi già consolidati e su cui si è lavorato molto più a lungo.

"I punti quantici di perovskite hanno ancora molta strada da fare prima che diventino applicabili in applicazioni reali, " lui dice, "ma questo è un nuovo sistema di materiali disponibile per la fotonica quantistica che ora può essere ottimizzato e potenzialmente integrato con i dispositivi".

È un fenomeno nuovo e richiederà molto lavoro per svilupparsi a livello pratico, dicono i ricercatori. "Il nostro studio è molto fondamentale, " osserva Bawendi. "Tuttavia, è un grande passo avanti verso lo sviluppo di una nuova piattaforma materiale che è promettente."