I ricercatori del MIT hanno progettato un modo per generare, a temperatura ambiente, più singoli fotoni per trasportare informazioni quantistiche. Il design, dicono, mantiene la promessa per lo sviluppo di computer quantistici pratici.

Gli emettitori quantistici generano fotoni che possono essere rilevati uno alla volta. I computer e i dispositivi quantistici di consumo potrebbero potenzialmente sfruttare alcune proprietà di quei fotoni come bit quantistici ("qubit") per eseguire calcoli. Mentre i computer classici elaborano e memorizzano le informazioni in bit di 0 o 1, i qubit possono essere 0 e 1 contemporaneamente. Ciò significa che i computer quantistici potrebbero potenzialmente risolvere problemi intrattabili per i computer classici.

Una sfida fondamentale, però, sta producendo singoli fotoni con proprietà quantistiche identiche, noti come fotoni "indistinguibili". Per migliorare l'indistinguibilità, emette luce ad imbuto attraverso una cavità ottica dove i fotoni rimbalzano avanti e indietro, un processo che aiuta ad abbinare le loro proprietà alla cavità. In genere, i fotoni più a lungo rimangono nella cavità, più corrispondono.

Ma c'è anche un compromesso. Nelle grandi cavità, gli emettitori quantistici generano fotoni spontaneamente, risultando in solo una piccola frazione di fotoni che rimangono nella cavità, rendendo il processo inefficiente. Cavità più piccole estraggono percentuali più elevate di fotoni, ma i fotoni sono di qualità inferiore, o "distinguibile".

In un articolo pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica , i ricercatori hanno diviso una cavità in due, ciascuno con un compito designato. Una cavità più piccola gestisce l'estrazione efficiente di fotoni, mentre una grande cavità attaccata li conserva un po' più a lungo per aumentare l'indistinguibilità.

Rispetto ad una singola cavità, la cavità accoppiata dei ricercatori ha generato fotoni con circa il 95% di indistinguibilità, rispetto all'80 per cento di indistinguibilità, con efficienza circa tre volte superiore.

"In breve, due è meglio di uno, " dice il primo autore Hyeongrak "Chuck" Choi, uno studente laureato presso il MIT Research Laboratory of Electronics (RLE). "Quello che abbiamo scoperto è che in questa architettura, possiamo separare i ruoli delle due cavità:la prima cavità si concentra semplicemente sulla raccolta di fotoni per un'elevata efficienza, mentre il secondo punta sull'indistinguibilità in un unico canale. Una cavità che interpreta entrambi i ruoli non può soddisfare entrambe le metriche, ma due cavità le realizzano entrambe simultaneamente."

Insieme a Choi sulla carta ci sono:Dirk Englund, professore associato di ingegneria elettrica e informatica, un ricercatore in RLE, e responsabile del Laboratorio di Fotonica Quantistica; Di Zhu, uno studente laureato in RLE; e Yoseob Yoon, uno studente laureato presso il Dipartimento di Chimica.

I relativamente nuovi emettitori quantistici, noti come "emettitori a singolo fotone, " sono creati da difetti in materiali altrimenti puri, come i diamanti, nanotubi di carbonio drogati, o punti quantici. La luce prodotta da questi "atomi artificiali" viene catturata da una minuscola cavità ottica nel cristallo fotonico, una nanostruttura che funge da specchio. Alcuni fotoni scappano, ma altri rimbalzano intorno alla cavità, che costringe i fotoni ad avere le stesse proprietà quantistiche, principalmente, varie proprietà di frequenza. Quando vengono misurati per corrispondere, escono dalla cavità attraverso una guida d'onda.

Ma gli emettitori a singolo fotone subiscono anche tonnellate di rumore ambientale, come vibrazioni reticolari o fluttuazioni di carica elettrica, che producono diverse lunghezze d'onda o fasi. I fotoni con proprietà diverse non possono essere "interferiti, " in modo che le loro onde si sovrappongano, determinando schemi di interferenza. Quel modello di interferenza è fondamentalmente ciò che un computer quantistico osserva e misura per svolgere compiti computazionali.

L'indistinguibilità dei fotoni è una misura del potenziale dei fotoni di interferire. In quel modo, è una metrica preziosa per simulare il loro utilizzo per l'informatica quantistica pratica. "Anche prima dell'interferenza dei fotoni, con indistinguibilità, possiamo specificare la capacità dei fotoni di interferire, " dice Choi. "Se conosciamo questa capacità, possiamo calcolare cosa accadrà se lo usano per le tecnologie quantistiche, come i computer quantistici, comunicazioni, o ripetitori."

Nel sistema dei ricercatori, una piccola cavità si trova attaccata a un emettitore, che nei loro studi era un difetto ottico in un diamante, chiamato "centro di vacanza di silicio", un atomo di silicio che sostituisce due atomi di carbonio in un reticolo di diamante. La luce prodotta dal difetto viene raccolta nella prima cavità. A causa della sua struttura di focalizzazione della luce, i fotoni vengono estratti con velocità molto elevate. Quindi, la nanocavità incanala i fotoni in un secondo, cavità più grande. Là, i fotoni rimbalzano avanti e indietro per un certo periodo di tempo. Quando raggiungono un'elevata indistinguibilità, i fotoni escono attraverso uno specchio parziale formato da fori che collegano la cavità ad una guida d'onda.

È importante sottolineare che Choi dice, nessuna delle due cavità deve soddisfare rigorosi requisiti progettuali di efficienza o indistinguibilità rispetto alle cavità tradizionali, chiamato "fattore di qualità (fattore Q)." Più alto è il fattore Q, minore è la perdita di energia nelle cavità ottiche. Ma le cavità con fattori Q elevati sono tecnologicamente difficili da realizzare.

Nello studio, la cavità accoppiata dei ricercatori ha prodotto fotoni di qualità superiore rispetto a qualsiasi possibile sistema a cavità singola. Anche quando il suo fattore Q era circa un centesimo della qualità del sistema a cavità singola, potrebbero raggiungere la stessa indistinguibilità con un'efficienza tre volte superiore.

Le cavità possono essere regolate per ottimizzare l'efficienza rispetto all'indistinguibilità e per considerare eventuali vincoli sul fattore Q, a seconda dell'applicazione. È importante, Choi aggiunge, perché gli odierni emettitori che funzionano a temperatura ambiente possono variare notevolmente in termini di qualità e proprietà.

Prossimo, i ricercatori stanno testando il limite teorico ultimo di cavità multiple. Un'altra cavità gestirebbe comunque l'estrazione iniziale in modo efficiente, ma poi sarebbe legato a più cavità che fotoni per varie dimensioni per raggiungere una certa indistinguibilità ottimale. Ma molto probabilmente ci sarà un limite, Choi dice:"Con due cavità, c'è solo una connessione, quindi può essere efficiente. Ma se ci sono più cavità, le connessioni multiple potrebbero renderlo inefficiente. Ora stiamo studiando il limite fondamentale per le cavità da utilizzare nell'informatica quantistica".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.