Rappresentazione artistica di un trasduttore ottico-acustico a microonde. Gli elettrodi (in alto a sinistra, oro) lanciano onde acustiche propaganti che possono essere misurate otticamente in un nanofascio di cristallo fotonico (in basso a destra). Tale dispositivo viene utilizzato per dimostrare un processo di conversione coerente tra un GHz a microonde e un segnale di telecomunicazione ottica, al limite del rumore quantistico. Credito:Moritz Forsch. Kavli Institute of Nanoscience, Università di tecnologia di Delft
I ricercatori guidati dal personale della Delft University of Technology hanno compiuto due passaggi nella conversione degli stati quantistici tra segnali nel dominio delle microonde e ottico. Questo è di grande interesse per collegare i futuri computer quantistici superconduttori in una rete quantistica globale. Questa settimana riferiscono sui loro risultati in Fisica della natura e in Lettere di revisione fisica .
La conversione tra segnali nel dominio delle microonde e ottico è di grande interesse, in particolare per collegare i futuri computer quantistici superconduttori in una rete quantistica globale. Molti sforzi all'avanguardia nelle tecnologie quantistiche, inclusi qubit superconduttori e punti quantici, condividere informazioni quantistiche attraverso fotoni nel regime delle microonde. Sebbene ciò consenta un livello impressionante di controllo quantistico, limita anche la distanza che le informazioni possono realisticamente percorrere prima di perdersi a pochi centimetri.
Allo stesso tempo, il campo della comunicazione quantistica ottica ha già visto dimostrazioni su scale di distanza in grado di fornire applicazioni nel mondo reale. Trasmettendo informazioni nella banda ottica delle telecomunicazioni, si possono prevedere reti quantistiche basate su fibre su decine o addirittura centinaia di chilometri. "Per connettere diversi nodi di calcolo quantistico su grandi distanze in un'internet quantistica, è quindi fondamentale poter convertire l'informazione quantistica dal microonde al dominio ottico, e ritorno, " afferma il prof. Simon Groeblacher della Delft University of Technology. "Questo non sarà solo estremamente interessante per le applicazioni quantistiche, ma anche ad alta efficienza, conversione a basso rumore tra segnali ottici ed elettrici classici."
Stato fondamentale
Sono stati adottati diversi approcci promettenti per realizzare un convertitore da microonde a ottica, ad esempio cercando di accoppiare i segnali tramite un sistema meccanico (oscillatore). Ma finora hanno funzionato tutti con un notevole rumore di fondo termico. "Abbiamo superato questa limitazione e dimostrato una conversione coerente tra i segnali a microonde a GHz e la banda ottica delle telecomunicazioni con un rumore di fondo termico minimo, "Moritz Forsch, uno dei due autori principali delle pubblicazioni, spiega.
Per realizzare questo, era necessario raffreddare l'oscillatore meccanico nello stato fondamentale di movimento quantistico. La bassa occupazione termica costituisce la base per il controllo quantistico sugli stati meccanici. Rob Stockill, l'altro autore principale, continua:"Utilizziamo un integrato, dispositivo elettro-opto-meccanico su chip che accoppia onde acustiche di superficie guidate da un segnale risonante a microonde a un cristallo optomeccanico. Inizializziamo la modalità meccanica nel suo stato fondamentale quantistico, che ci consente di eseguire il processo di trasduzione con il minimo rumore termico aggiunto, pur mantenendo che i fotoni a microonde mappati nel risonatore meccanico vengono effettivamente convertiti al dominio ottico."
Materiali piezoelettrici
Il team di Groeblacher ha recentemente fatto un altro passo avanti in questo campo, concentrandosi sull'uso di nuovi materiali piezoelettrici. Questi materiali, in cui si producono campi elettrici a causa di sollecitazioni meccaniche, potrebbe essere di grande interesse per la trasduzione dell'informazione quantistica tra differenti portanti. L'accoppiamento elettromeccanico in linea di principio consente la trasduzione di uno stato quantistico tra i domini delle microonde e delle frequenze ottiche in questo materiale. Un approccio promettente è quindi quello di costruire dispositivi optomeccanici piezoelettrici integrati, che vengono poi accoppiati a circuiti a microonde.
"Abbiamo progettato e caratterizzato un tale dispositivo optomeccanico piezoelettrico fabbricato in fosfuro di gallio, in cui una modalità meccanica a 2,9 GHz è accoppiata a un risonatore ottico ad alto fattore di qualità nella banda delle telecomunicazioni. L'ampio bandgap elettronico e il conseguente basso assorbimento ottico di questo nuovo materiale, alla pari con i dispositivi fabbricati in silicio, ci permette di dimostrare il comportamento quantistico della struttura, " dice il prof. Groeblacher.
Passo successivo
Il dispositivo fabbricato in fosfuro di gallio (GaP) supera di gran lunga i risultati attuali in GaAs o altri materiali piezoelettrici tipicamente utilizzati in approcci simili. Il prossimo passo per i ricercatori consiste nel basarsi sul funzionamento riuscito del dispositivo GaP in questo regime di parametri e approfondire l'uso di questo eccitante materiale. Data l'ampia banda proibita elettronica e le proprietà piezoelettriche di GaP, questi risultati della ricerca aprono la porta a nuovi esperimenti quantistici, nonché il potenziale per l'utilizzo di tali dispositivi per la conversione da microonde a ottica di singoli fotoni.
La pubblicazione in Fisica della natura è stata una collaborazione tra la Delft University of Technology, l'Università di Vienna, Università di tecnologia di Eindhoven e NIST.
La pubblicazione in Lettere di revisione fisica è stata una collaborazione tra la Delft University of Technology, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay e Université de Paris.
