Un'interfaccia luce-materia efficiente potrebbe costituire il fondamento della comunicazione quantistica. Però, alcune strutture che si formano durante il processo di crescita interferiscono con il segnale.

Alcune strutture a semiconduttore, i cosiddetti punti quantici, potrebbe costituire il fondamento della comunicazione quantistica. Sono un'efficiente interfaccia tra materia e luce, con fotoni (particelle di luce) emessi dai punti quantici che trasportano informazioni su grandi distanze. Però, le strutture si formano per impostazione predefinita durante la produzione di punti quantici che interferiscono con la comunicazione. Ricercatori dell'Università di Basilea, Ruhr-Universität Bochum, e Forschungszentrum Jülich hanno ora eliminato con successo queste interferenze. Hanno pubblicato il loro rapporto sulla rivista Fisica delle comunicazioni dal 9 agosto 2019.

Particelle leggere in grado di trasportare informazioni su grandi distanze

I punti quantici possono essere realizzati nei semiconduttori se i ricercatori bloccano un elettrone e un buco di elettroni, ad es. una carica positiva in una posizione in cui dovrebbe esistere un elettrone, in uno spazio ristretto. Insieme, elettrone e buca elettronica formano uno stato eccitato. Quando si ricombinano, lo stato eccitato scompare e viene generato un fotone. "Quel fotone potrebbe essere utilizzabile come vettore di informazioni nella comunicazione quantistica su grandi distanze, " afferma il dott. Arne Ludwig della cattedra di fisica applicata dello stato solido a Bochum.

I punti quantici prodotti a Bochum sono generati nel materiale semiconduttore arseniuro di indio. I ricercatori coltivano il materiale su un substrato di arseniuro di gallio. Nel processo, uno strato liscio di arseniuro di indio si forma con uno spessore di appena uno strato e mezzo atomico, il cosiddetto strato bagnante. Successivamente, i ricercatori generano piccole isole con un diametro di 30 nanometri e un'altezza di pochi nanometri. Questi sono i punti quantici.

Fotoni interferenti dallo strato bagnante

Lo strato bagnante che deve essere depositato nella prima fase causa problemi, perché, pure, contiene stati di lacune di elettroni eccitati che decadono e possono rilasciare fotoni. Nello strato bagnante, questi stati decadono ancora più facilmente che nei punti quantici. I fotoni emessi nel processo non possono essere utilizzati nella comunicazione quantistica, però; piuttosto, generano un rumore statico nel sistema.

"Lo strato bagnante copre l'intera superficie mentre i punti quantici coprono solo un millesimo del chip semiconduttore, ecco perché la luce interferente è circa mille volte più forte della luce emessa dai punti quantici, " spiega Andreas Wieck, Capo della cattedra di fisica applicata dello stato solido a Bochum. "Lo strato di bagnatura irradia fotoni a una frequenza leggermente superiore e a un'intensità molto più elevata rispetto ai punti quantici. È come se i punti quantici emettessero il tono della camera A, mentre lo strato bagnante emetteva una B che era mille volte più forte."

Lo strato aggiuntivo elimina le interferenze

"Siamo stati in grado di ignorare quelle interferenze eccitando solo gli stati energetici richiesti, " afferma Matthias Löbl dell'Università di Basilea. "Tuttavia, se i punti quantici devono essere utilizzati come unità di informazione per applicazioni quantistiche, potrebbe essere l'ideale caricarli con più elettroni. Ma in quel caso, i livelli di energia nello strato bagnante sarebbero ugualmente eccitati, " aggiunge Arne Ludwig.

Il team di ricerca ha ora eliminato questa interferenza aggiungendo uno strato di arseniuro di alluminio cresciuto sopra i punti quantici nello strato bagnante. Gli stati energetici nello strato bagnante vengono così rimossi, quale, a sua volta, rende meno probabile che gli elettroni e le lacune elettroniche si ricombinino ed emettano fotoni.