Nel futuro, la fisica quantistica potrebbe diventare il garante della tecnologia dell'informazione sicura. Per realizzare questo, singole particelle di luce, i fotoni, vengono utilizzate per la trasmissione sicura dei dati. I risultati dei fisici del Max Planck Institute for Solid State Research potrebbero svolgere un ruolo chiave. I ricercatori si sono imbattuti accidentalmente in una sorgente di luce che genera una coppia di fotoni dall'energia di un elettrone. Una di queste particelle di luce ha il potenziale per fungere da vettore delle fragili informazioni quantistiche, l'altro, come messaggero per fornire una notifica preventiva del suo gemello.

A differenza della comunicazione quantistica, un cuoco ha il lusso di poter guardare se tutti gli ingredienti di cui ha bisogno per una ricetta sono nella credenza. Dopotutto, la farina non va a male nel momento in cui la guardi. Un fisico che cerca di verificare se una procedura per trasmettere informazioni quantistiche ha funzionato come previsto si trova in una posizione molto più complicata. Gli oggetti quantistici cambiano il loro stato quando vengono osservati, cioè misurato. Nella comunicazione quantistica, questo rende difficile il controllo delle informazioni trasmesse dai fotoni. Ma questo è il punto di fondamentale importanza. Ogni contatto con l'ambiente può distruggere le informazioni quantistiche trasportate dai fotoni, e in aggiunta, sorgenti di singole particelle di luce spesso generano singoli fotoni solo in modo molto irregolare. Come puoi garantire che un fotone sia in arrivo senza misurarlo? Le coppie di fotoni sono la soluzione. Un fotone potrebbe essere in grado di fungere da messaggero per il suo gemello.

Una fonte inaspettata di coppie di fotoni

Gli scienziati del Max Planck Institute for Solid State Research hanno ora scoperto una fonte inaspettata di tali coppie di fotoni:un microscopio a effetto tunnel. I ricercatori utilizzano normalmente un microscopio di questo tipo per studiare le superfici di materiali conduttori o semiconduttori. Il microscopio si basa su un effetto noto come tunneling quantistico. Questo descrive come gli elettroni hanno una certa probabilità di passare attraverso una barriera che, secondo la fisica classica, normalmente non sarebbero in grado di attraversare. In un microscopio a scansione a effetto tunnel, viene applicata una tensione a una punta metallica, provocando il tunneling degli elettroni a breve distanza da un campione. Se un elettrone perde energia durante questo processo di tunneling, si produce luce.

È proprio su questa luce che i fisici di Stoccarda indagano da diversi anni. Il loro lavoro ha ora portato a un'osservazione sorprendente:durante il tunneling, oltre alle singole particelle luminose, si formano anche coppie di fotoni, ad un tasso 10, 000 volte superiore a quanto previsto dalla teoria. "Secondo la teoria, la probabilità che si formi una coppia di fotoni è così bassa che non dovremmo mai vederla, " spiega lo scienziato Christopher Leon. "Ma il nostro esperimento mostra che le coppie di fotoni vengono generate a un ritmo molto più alto. Per noi è stata una grande sorpresa".

I fisici hanno misurato le coppie di fotoni utilizzando due rilevatori, permettendo loro di misurare l'intervallo di tempo tra i fotoni in arrivo. "Nel momento in cui una coppia di fotoni si forma in una giunzione tunnel, sono a meno di 50 trilionesimi di secondo l'uno dall'altro, " spiega il principale scienziato Klaus Kuhnke. Per ora, è impossibile dire se i fotoni siano effettivamente prodotti simultaneamente o in rapida successione. La risoluzione dei rilevatori non è ancora sufficientemente elevata.

Nuove applicazioni per svincoli in galleria

I risultati aprono nuove applicazioni nella fotonica e nella comunicazione quantistica per le giunzioni tunnel. Gli scienziati conoscono già i processi che generano coppie di fotoni, ma la maggior parte di essi impiega una luce laser intensa. In contrasto, il metodo sviluppato dagli scienziati di Max Planck a Stoccarda è puramente elettronico.

Inoltre, i componenti necessari sono molto piccoli, e il processo avviene su scala atomica. Ciò significa che la nuova fonte di luce potrebbe essere utilizzata anche nelle future generazioni di chip per computer, sostituire i componenti elettronici con quelli ottici. Un vantaggio dell'utilizzo dei fotoni è che promettono una trasmissione dei dati veloce e senza perdite. Le coppie di fotoni nell'esperimento condotto dai ricercatori di Stoccarda erano estremamente veloci, ma l'ultra-alto vuoto e le temperature molto basse richieste dall'esperimento rimangono una sfida pratica.

Il prossimo passo per gli scienziati è scoprire se la misurazione di un fotone influisce direttamente sullo stato dell'altro. Se è così, le particelle di luce sarebbero impigliate. Particelle entangled di questo tipo sono cruciali nella crittografia quantistica. I risultati sollevano anche domande fondamentali su come si formano le coppie di fotoni. Fino ad ora, il processo è stato del tutto trascurato da un background teorico. "Il fatto che vengano generate coppie di fotoni indica che deve aver luogo un processo complicato, " dice il teorico Olle Gunnarsson. Klaus Kern, Direttore dell'Istituto Max Planck per la ricerca sullo stato solido, concorda sul fatto che il processo sia entusiasmante:"È emozionante perché apre una nuova prospettiva su come viene prodotta la luce".