I ricercatori dell'Università di Rochester e della Cornell University hanno compiuto un passo importante verso lo sviluppo di una rete di comunicazione che scambia informazioni su lunghe distanze utilizzando fotoni, misure di luce senza massa che sono elementi chiave dell'informatica quantistica e dei sistemi di comunicazione quantistica.

Il team di ricerca ha progettato un nodo su scala nanometrica realizzato con materiali magnetici e semiconduttori che potrebbero interagire con altri nodi, utilizzando la luce laser per emettere e accettare fotoni.

Lo sviluppo di una tale rete quantistica, progettata per sfruttare le proprietà fisiche della luce e della materia caratterizzate dalla meccanica quantistica, promette tempi più rapidi, modi più efficienti di comunicare, calcolare, e rilevare oggetti e materiali rispetto alle reti attualmente utilizzate per l'informatica e le comunicazioni.

Descritto nel diario Comunicazioni sulla natura , il nodo è costituito da una serie di pilastri alti appena 120 nanometri. I pilastri fanno parte di una piattaforma contenente strati atomicamente sottili di semiconduttori e materiali magnetici.

L'array è progettato in modo che ogni pilastro funga da indicatore di posizione per uno stato quantico che può interagire con i fotoni e i fotoni associati possono potenzialmente interagire con altre posizioni attraverso il dispositivo e con array simili in altre posizioni. Questo potenziale per connettere nodi quantistici attraverso una rete remota sfrutta il concetto di entanglement, un fenomeno della meccanica quantistica che, al suo livello molto elementare, descrive come le proprietà delle particelle sono collegate a livello subatomico.

"Questo è l'inizio di una sorta di registro, se ti piace, dove diverse posizioni spaziali possono memorizzare informazioni e interagire con i fotoni, "dice Nick Vamivakas, professore di ottica quantistica e fisica quantistica a Rochester.

Verso la "miniaturizzazione di un computer quantistico"

Il progetto si basa sul lavoro svolto dal Vamivakas Lab negli ultimi anni utilizzando diseleniuro di tungsteno (WSe2) nelle cosiddette eterostrutture di Van der Waals. Quel lavoro utilizza strati di materiali atomicamente sottili uno sopra l'altro per creare o catturare singoli fotoni.

Il nuovo dispositivo utilizza un nuovo allineamento di WSe2 drappeggiato sui pilastri con un sottostante, strato altamente reattivo di triioduro di cromo (CrI3). Dove l'atomicamente sottile, Gli strati di area da 12 micron si toccano, il CrI3 impartisce una carica elettrica al WSe2, creando un "buco" a fianco di ciascuno dei pilastri.

Nella fisica quantistica, una lacuna è caratterizzata dall'assenza di un elettrone. Ogni buca carica positivamente ha anche una proprietà magnetica binaria nord/sud ad essa associata, in modo che ciascuno sia anche un nanomagnete

Quando il dispositivo è immerso nella luce laser, si verificano ulteriori reazioni, trasformando i nanomagneti in singoli array di spin otticamente attivi che emettono e interagiscono con i fotoni. Considerando che l'elaborazione dell'informazione classica si occupa di bit che hanno valori pari a zero o uno, gli stati di spin possono codificare sia zero che uno allo stesso tempo, ampliare le possibilità di elaborazione delle informazioni.

"Essere in grado di controllare l'orientamento dello spin del foro utilizzando CrI3 ultrasottile e grande da 12 micron, sostituisce la necessità di utilizzare campi magnetici esterni da gigantesche bobine magnetiche simili a quelle utilizzate nei sistemi di risonanza magnetica, ", afferma l'autore principale e studente laureato Arunabh Mukherjee. "Questo farà molto per miniaturizzare un computer quantistico basato su spin a foro singolo".

Ancora da venire:intreccio a distanza?

Due grandi sfide hanno dovuto affrontare i ricercatori nella creazione del dispositivo.

Uno era creare un ambiente inerte in cui lavorare con il CrI3 altamente reattivo. È qui che è entrata in gioco la collaborazione con la Cornell University. "Hanno molta esperienza con il triioduro di cromo e poiché stavamo lavorando con quello per la prima volta, ci siamo coordinati con loro su questo aspetto, " Dice Vamivaka. Ad esempio, la fabbricazione del CrI3 è stata effettuata in scatole a guanti riempite di azoto per evitare la degradazione dell'ossigeno e dell'umidità.

L'altra sfida consisteva nel determinare la giusta configurazione dei pilastri per garantire che i fori e le valli di rotazione associati a ciascun pilastro potessero essere correttamente registrati per essere eventualmente collegati ad altri nodi.

E qui sta la prossima grande sfida:trovare un modo per inviare fotoni a lunghe distanze attraverso una fibra ottica ad altri nodi, preservando le loro proprietà di entanglement.

"Non abbiamo ancora progettato il dispositivo per promuovere quel tipo di comportamento, " Vamivakas dice. "Questo è in fondo alla strada."