La tecnologia quantistica è molto promettente:tra pochi anni, I computer quantistici dovrebbero rivoluzionare le ricerche nei database, sistemi di intelligenza artificiale, e simulazioni computazionali. Già oggi, la crittografia quantistica può garantire un trasferimento dei dati assolutamente sicuro, seppur con limitazioni. La massima compatibilità possibile con la nostra attuale elettronica a base di silicio sarà un vantaggio chiave. Ed è proprio qui che i fisici dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e della TU Dresden hanno compiuto notevoli progressi:il team ha progettato una fonte di luce a base di silicio per generare singoli fotoni che si propagano bene nelle fibre di vetro.

La tecnologia quantistica si basa sulla capacità di controllare il comportamento delle particelle quantistiche nel modo più preciso possibile, ad esempio bloccando singoli atomi in trappole magnetiche o inviando singole particelle di luce, chiamate fotoni, attraverso fibre di vetro. Quest'ultima è la base della crittografia quantistica, un metodo di comunicazione che è, in linea di principio, a prova di rubinetto:qualsiasi aspirante ladro di dati che intercetta i fotoni distrugge inevitabilmente le loro proprietà quantistiche. I mittenti e i destinatari del messaggio lo noteranno e potranno interrompere in tempo la trasmissione compromessa.

Ciò richiede sorgenti luminose che forniscano singoli fotoni. Tali sistemi esistono già, soprattutto a base di diamanti, ma hanno un difetto:"Queste sorgenti di diamanti possono generare fotoni solo a frequenze che non sono adatte alla trasmissione in fibra ottica, " spiega il fisico HZDR Dr. Georgy Astakhov. "Che è una limitazione significativa per l'uso pratico." Così Astakhov e il suo team hanno deciso di utilizzare un materiale diverso:il collaudato materiale di base elettronico, il silicio.

100, 000 singoli fotoni al secondo

Per fare in modo che il materiale generi i fotoni infrarossi necessari per la comunicazione in fibra ottica, gli esperti l'hanno sottoposto a un trattamento speciale, sparando selettivamente carbonio nel silicio con un acceleratore presso l'HZDR Ion Beam Center. Questo ha creato i cosiddetti centri G nel materiale:due atomi di carbonio adiacenti accoppiati a un atomo di silicio formando una sorta di atomo artificiale.

Quando irradiato con luce laser rossa, questo atomo artificiale emette i fotoni infrarossi desiderati a una lunghezza d'onda di 1,3 micrometri, una frequenza ottimamente adatta alla trasmissione in fibra ottica. "Il nostro prototipo può produrre 100, 000 singoli fotoni al secondo, " Astakhov relazioni. "Ed è stabile. Anche dopo diversi giorni di funzionamento continuo, non abbiamo osservato alcun deterioramento." Tuttavia, il sistema funziona solo in condizioni estremamente fredde:i fisici usano l'elio liquido per raffreddarlo fino a una temperatura di meno 268 gradi Celsius.

"Siamo stati in grado di dimostrare per la prima volta che è possibile una sorgente a singolo fotone a base di silicio, " Il collega di Astakhov, il dott. Yonder Berencén, è lieto di riferire. "Questo rende sostanzialmente possibile integrare tali sorgenti con altri componenti ottici su un chip". Tra le altre cose, sarebbe interessante accoppiare la nuova sorgente luminosa con un risonatore per risolvere il problema che i fotoni infrarossi emergono in gran parte dalla sorgente in modo casuale. Per l'uso nella comunicazione quantistica, però, sarebbe necessario generare fotoni su richiesta.

Sorgente luminosa su un chip

Questo risonatore potrebbe essere sintonizzato per colpire esattamente la lunghezza d'onda della sorgente luminosa, che permetterebbe di aumentare il numero di fotoni generati al punto che sono disponibili in un dato momento. "È già stato dimostrato che tali risonatori possono essere costruiti in silicio, " riporta Berencén. "L'anello mancante era una fonte a base di silicio per singoli fotoni. Ed è esattamente quello che ora siamo stati in grado di creare".

Ma prima di poter considerare le applicazioni pratiche, i ricercatori dell'HZDR devono ancora risolvere alcuni problemi, come una produzione più sistematica delle nuove sorgenti di telecomunicazione a fotone singolo. "Cercheremo di impiantare il carbonio nel silicio con maggiore precisione, " spiega Georgy Astakhov. "HZDR con il suo Ion Beam Center fornisce un'infrastruttura ideale per realizzare idee come questa."