Per elaborare le informazioni, i fotoni devono interagire. Però, questi piccoli pacchetti di luce non vogliono avere niente a che fare l'uno con l'altro, l'uno che passa senza alterare l'altro. Ora, i ricercatori dello Stevens Institute of Technology hanno convinto i fotoni a interagire tra loro con un'efficienza senza precedenti, un passo avanti fondamentale verso la realizzazione di tecnologie di ottica quantistica tanto attese per l'informatica, comunicazione e telerilevamento.

Il gruppo, guidato da Yuping Huang, professore associato di fisica e direttore del Center for Quantum Science and Engineering, ci avvicina a questo obiettivo con un chip su nanoscala che facilita le interazioni dei fotoni con un'efficienza molto più elevata rispetto a qualsiasi sistema precedente. Il nuovo metodo, riportato come memorandum nel numero del 18 settembre di ottica , funziona a livelli di energia molto bassi, suggerendo che potrebbe essere ottimizzato per funzionare a livello di singoli fotoni, il Santo Graal per il calcolo quantistico a temperatura ambiente e la comunicazione quantistica sicura.

"Stiamo spingendo i confini della fisica e dell'ingegneria ottica per avvicinare l'elaborazione del segnale quantistico e completamente ottico alla realtà, " disse Huang.

Per ottenere questo progresso, La squadra di Huang ha sparato un raggio laser in una microcavità a forma di pista scavata in una scheggia di cristallo. Mentre la luce laser rimbalza sulla pista, i suoi fotoni confinati interagiscono tra loro, producendo una risonanza armonica che fa sì che parte della luce circolante cambi lunghezza d'onda.

Non è un trucco completamente nuovo, ma Huang e colleghi, tra cui lo studente laureato Jiayang Chen e il ricercatore senior Yong Meng Sua, ha notevolmente aumentato la sua efficienza utilizzando un chip in niobato di litio sull'isolante, un materiale che ha un modo unico di interagire con la luce. A differenza del silicio, il niobato di litio è difficile da incidere chimicamente con i comuni gas reattivi. Così, il team di Stevens ha utilizzato uno strumento di fresatura ionica, essenzialmente una nanosabbiatrice, per incidere una minuscola pista di circa un centesimo della larghezza di un capello umano.

Prima di definire la struttura della pista, il team aveva bisogno di applicare impulsi elettrici ad alta tensione per creare aree accuratamente calibrate di polarità alternata, o polling periodico, che adattano il modo in cui i fotoni si muovono in pista, aumentando la loro probabilità di interagire tra loro.

Chen ha spiegato che per incidere la pista sul chip e personalizzare il modo in cui i fotoni si muovono intorno ad essa, richiede decine di delicati passaggi di nanofabbricazione, ognuno richiede una precisione nanometrica. "Al meglio delle nostre conoscenze, siamo tra i primi gruppi a padroneggiare tutti questi passaggi di nanofabbricazione per costruire questo sistema:questo è il motivo per cui potremmo ottenere prima questo risultato".

Andando avanti, Huang e il suo team mirano a potenziare la capacità della pista di cristallo di confinare e ricircolare la luce, noto come il suo fattore Q. Il team ha già identificato modi per aumentare il proprio fattore Q di un fattore di almeno 10, ma ogni aumento di livello rende il sistema più sensibile a fluttuazioni di temperatura impercettibili - alcune migliaia di gradi - e richiede un'attenta messa a punto.

Ancora, il team di Stevens dice che si stanno avvicinando a un sistema in grado di generare interazioni a livello di singolo fotone in modo affidabile, una svolta che consentirebbe la creazione di molti potenti componenti di calcolo quantistico come porte logiche fotoniche e fonti di entanglement, che lungo un circuito, può ricercare più soluzioni allo stesso problema contemporaneamente, plausibilmente consentendo calcoli che potrebbero richiedere anni per essere risolti in pochi secondi.

Potremmo essere ancora un po' da quel punto, Chen ha detto, ma per gli scienziati quantistici il viaggio sarà emozionante. "È il Santo Graal, " disse Chen, l'autore principale del documento. "E sulla via del Santo Graal, stiamo realizzando un sacco di fisica che nessuno ha mai fatto prima."