I ricercatori dell'Università di Basilea e della Ruhr-Universität Bochum hanno realizzato punti quantici, minuscole nanostrutture di semiconduttori, che emettono luce vicino alla parte rossa dello spettro con un rumore di fondo estremamente basso. I punti quantici potrebbero un giorno costituire la base per i computer quantistici; le particelle di luce, chiamati anche fotoni, servirebbero quindi come vettori di informazioni. I punti quantici con proprietà ottiche adeguate erano stati precedentemente ottenuti solo per fotoni con lunghezze d'onda nella gamma del vicino infrarosso. Ora, i ricercatori sono riusciti a creare stati a basso rumore a lunghezze d'onda comprese tra 700 e 800 nanometri, cioè vicino alla gamma rossa visibile. Questo sarebbe, Per esempio, consentire l'accoppiamento con altri sistemi fotonici. Delineano le loro scoperte nel giornale Comunicazioni sulla natura dal 21 settembre 2020.

Sono necessarie diverse lunghezze d'onda

I sistemi per la comunicazione quantistica richiedono fotoni di diverse lunghezze d'onda. Per la comunicazione a lunga distanza, il requisito principale è evitare perdite di segnale; lunghezze d'onda intorno a 1, A questo scopo possono essere utilizzati 550 nanometri. Per brevi distanze, d'altra parte, sono necessari fotoni che possono essere rilevati nel modo più efficace possibile e collegati ad altri sistemi di memoria quantistica. Questo sarebbe possibile con la luce rossa, o più precisamente con lunghezze d'onda comprese tra 700 e 800 nanometri. I rilevatori di fotoni attualmente disponibili hanno la massima sensibilità in questo intervallo. Inoltre, particelle leggere di questa frequenza potrebbero essere accoppiate con un sistema di accumulo di rubidio.

Affinché le informazioni in un sistema quantistico siano codificate con precisione, manipolato e letto, un'emissione ottica stabile è fondamentale. Questo è esattamente ciò che i ricercatori hanno ora ottenuto per i fotoni vicino alla gamma del rosso visibile.

Il contenuto di alluminio inferiore è la chiave del successo

Il progetto era un'impresa collaborativa tra un team di giovani fisici guidati dal professor Richard Warburton del Nano-Photonics Group con sede a Basilea e il professor Andreas Wieck, Dott. Arne Ludwig, Dr. Julian Ritzmann e colleghi della cattedra di fisica applicata dello stato solido a Bochum. I ricercatori hanno convertito i punti quantici in un semiconduttore fatto di arseniuro di gallio. Poiché il sistema deve essere raffreddato con elio liquido, funziona a basse temperature di meno 269 gradi Celsius.

Una delle sfide principali è stata quella di progettare un diodo con punti quantici di arseniuro di gallio che emette fotoni in modo affidabile a queste basse temperature. Il team di Bochum ha prodotto strati di alluminio-gallio-arseniuro con una concentrazione di alluminio inferiore al solito, che ha migliorato la conduttività e la stabilità degli strati. Il team di Nano-Photonics ha quindi utilizzato questo materiale per gli esperimenti a Basilea.

Sistema accoppiato in corso

Nel passaggio successivo, i ricercatori stanno progettando di combinare i punti quantici di nuova concezione con un dispositivo di memoria quantistica al rubidio. Tali strutture ibride sarebbero un primo passo verso applicazioni pratiche nella futura rete di comunicazione quantistica.