I computer quantistici e i dispositivi di comunicazione superveloci potrebbero rivoluzionare innumerevoli aspetti della nostra vita, ma prima, i ricercatori hanno bisogno di un veloce, fonte efficiente delle coppie di fotoni entangled che tali sistemi utilizzano per trasmettere e manipolare le informazioni. I ricercatori dello Stevens Institute of Technology hanno fatto proprio questo, non solo creando una sorgente di fotoni basata su chip 100 volte più efficiente di quanto fosse possibile in precedenza, ma portando una massiccia integrazione di dispositivi quantistici a portata di mano.

"Si è a lungo sospettato che ciò fosse possibile in teoria, ma siamo i primi a dimostrarlo in pratica, " disse Yuping Huang, Gallagher professore associato di fisica e direttore del Center for Quantum Science and Engineering.

Per creare coppie di fotoni, i ricercatori intrappolano la luce in microcavità su nanoscala accuratamente scolpite; mentre la luce circola nella cavità, i suoi fotoni risuonano e si dividono in coppie entangled. Ma c'è un problema:al momento, tali sistemi sono estremamente inefficienti, richiedendo un torrente di luce laser in arrivo che comprende centinaia di milioni di fotoni prima che una singola coppia di fotoni entangled goccioli a malincuore dall'altra parte.

Huang e i colleghi di Stevens hanno ora sviluppato una nuova sorgente di fotoni basata su chip che è 100 volte più efficiente di qualsiasi dispositivo precedente, consentendo la creazione di decine di milioni di coppie di fotoni entangled al secondo da un singolo raggio laser alimentato da microwatt.

"Questa è una pietra miliare enorme per le comunicazioni quantistiche, " disse Huang, il cui lavoro apparirà nel numero del 17 dicembre di Lettere di revisione fisica .

Lavorando con gli studenti laureati di Stevens Zhaohui Ma e Jiayang Chen, Huang si è basato sulla precedente ricerca del suo laboratorio per intagliare microcavità di altissima qualità in scaglie di cristallo di niobato di litio. Le cavità a forma di pista riflettono internamente i fotoni con pochissima perdita di energia, consentendo alla luce di circolare più a lungo e interagire con maggiore efficienza.

Mettendo a punto fattori aggiuntivi come la temperatura, il team è stato in grado di creare una fonte luminosa senza precedenti di coppie di fotoni entangled. In pratica, che consente di produrre coppie di fotoni in quantità molto maggiori per una data quantità di luce in ingresso, riducendo drasticamente l'energia necessaria per alimentare i componenti quantistici.

Il team sta già lavorando su modi per perfezionare ulteriormente il proprio processo, e dicono che si aspettano di raggiungere presto il vero Santo Graal dell'ottica quantistica:un sistema che può trasformare un singolo fotone in entrata in una coppia entangled di fotoni in uscita, praticamente senza sprechi di energia lungo il percorso. "È sicuramente realizzabile, " ha detto Chen. "A questo punto abbiamo solo bisogno di miglioramenti incrementali."

Fino ad allora, il team prevede di continuare a perfezionare la propria tecnologia, e cercando modi per utilizzare la loro sorgente di fotoni per pilotare porte logiche e altri componenti di comunicazione o calcolo quantistico. "Poiché questa tecnologia è già basata su chip, siamo pronti per iniziare a scalare integrando altri componenti ottici passivi o attivi, " ha spiegato Huang.

L'ultimo goal, Huang ha detto, consiste nel rendere i dispositivi quantistici così efficienti ed economici da far funzionare da poter essere integrati nei dispositivi elettronici tradizionali. "Vogliamo portare la tecnologia quantistica fuori dal laboratorio, in modo che possa giovare a ciascuno di noi, " ha spiegato. "Un giorno presto vorremmo che i bambini avessero laptop quantistici nei loro zaini, e stiamo spingendo al massimo per renderlo realtà".