Il mondo moderno è alimentato da circuiti elettrici su un "chip":il chip semiconduttore alla base dei computer, telefono cellulare, Internet, e altre applicazioni. Nell'anno 2025, si prevede che gli esseri umani creeranno 175 zettabyte (175 trilioni di gigabyte) di nuovi dati. Come possiamo garantire la sicurezza dei dati sensibili a un volume così elevato? E come possiamo affrontare problemi simili a grandi sfide, dalla privacy e sicurezza al cambiamento climatico, sfruttando questi dati, soprattutto data la capacità limitata dei computer attuali?

Un'alternativa promettente sono le tecnologie di comunicazione e calcolo quantistiche emergenti. Perché ciò accada, però, richiederà lo sviluppo diffuso di nuovi potenti circuiti ottici quantistici; circuiti in grado di elaborare in modo sicuro le enormi quantità di informazioni che generiamo ogni giorno. I ricercatori del dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali della famiglia Mork della USC hanno fatto un passo avanti per consentire questa tecnologia.

Mentre un circuito elettrico tradizionale è un percorso lungo il quale fluiscono gli elettroni di una carica elettrica, un circuito ottico quantistico utilizza sorgenti luminose che generano singole particelle luminose, o fotoni, su richiesta, uno alla volta, agendo come bit che trasportano informazioni (bit quantici o qubit). Queste sorgenti luminose sono "punti quantici" di semiconduttori di dimensioni nanometriche:minuscole raccolte fabbricate da decine di migliaia a un milione di atomi racchiusi in un volume di dimensione lineare inferiore a un millesimo dello spessore di un tipico capello umano sepolto in una matrice di un altro semiconduttore adatto .

Finora hanno dimostrato di essere i generatori di fotoni singoli on-demand più versatili. Il circuito ottico richiede che queste singole sorgenti di fotoni siano disposte su un chip semiconduttore in uno schema regolare. I fotoni con lunghezza d'onda quasi identica dalle sorgenti devono quindi essere rilasciati in una direzione guidata. Ciò consente loro di essere manipolati per formare interazioni con altri fotoni e particelle per trasmettere ed elaborare informazioni.

Fino ad ora, c'è stata una barriera significativa allo sviluppo di tali circuiti. Per esempio, nelle attuali tecniche di produzione i punti quantici hanno dimensioni e forme diverse e si assemblano sul chip in posizioni casuali. Il fatto che i punti abbiano dimensioni e forme diverse significa che i fotoni che rilasciano non hanno lunghezze d'onda uniformi. Questo e la mancanza di ordine posizionale li rendono inadatti all'uso nello sviluppo di circuiti ottici.

In un lavoro di recente pubblicazione, i ricercatori della USC hanno dimostrato che i singoli fotoni possono effettivamente essere emessi in modo uniforme da punti quantici disposti secondo uno schema preciso. Va notato che il metodo di allineamento dei punti quantici è stato sviluppato per la prima volta all'USC dal PI principale, Professor Anupam Madhukar, e la sua squadra quasi trent'anni fa, molto prima dell'attuale attività di ricerca esplosiva nell'informazione quantistica e dell'interesse per le sorgenti a singolo fotone su chip. In questo ultimo lavoro, il team USC ha utilizzato tali metodi per creare punti quantici singoli, con le loro notevoli caratteristiche di emissione a singolo fotone. Si prevede che la capacità di allineare con precisione punti quantici che emettono uniformemente consentirà la produzione di circuiti ottici, potenzialmente portando a nuovi progressi nel calcolo quantistico e nelle tecnologie di comunicazione.

Il lavoro, pubblicato in Fotonica APL , era guidato da Jiefei Zhang, attualmente professore assistente di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali della Famiglia Mork, con l'autore corrispondente Anupam Madhukar, Kenneth T. Norris Professore di Ingegneria e Professore di Ingegneria Chimica, Ingegnere elettrico, Scienza dei materiali, e Fisica.

"La svolta apre la strada ai prossimi passi necessari per passare dalla dimostrazione in laboratorio della fisica del singolo fotone alla fabbricazione su scala di chip di circuiti fotonici quantistici, " ha detto Zhang. "Questo ha potenziali applicazioni nella comunicazione quantistica (sicura), immagini, rilevamento e simulazioni quantistiche e calcolo."

Madhukar ha affermato che è essenziale che i punti quantici siano ordinati in modo preciso in modo che i fotoni rilasciati da due o più punti qualsiasi possano essere manipolati per connettersi tra loro sul chip. Questo costituirà la base dell'unità di costruzione per i circuiti ottici quantistici.

"Se la sorgente da cui provengono i fotoni è localizzata casualmente, questo non può essere fatto accadere." Ha detto Madhukar.

"La tecnologia attuale che ci consente di comunicare online, ad esempio utilizzando una piattaforma tecnologica come Zoom, si basa sul chip elettronico integrato al silicio. Se i transistor su quel chip non sono posizionati in posizioni esatte progettate, non ci sarebbe circuito elettrico integrato, "Ha detto Madhukar. "È lo stesso requisito per le sorgenti di fotoni come i punti quantici per creare circuiti ottici quantistici".

La ricerca è supportata dall'Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) e dall'U.S. Army Research Office (ARO).

"Questo progresso è un importante esempio di come risolvere le sfide fondamentali della scienza dei materiali, come come creare punti quantici con posizione e composizione precise, può avere grandi implicazioni a valle per tecnologie come l'informatica quantistica, " ha detto Evan Runnerstrom, responsabile del programma, Ufficio di ricerca dell'esercito, un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti. "Questo mostra come gli investimenti mirati di ARO nella ricerca di base sostengano i duraturi sforzi di modernizzazione dell'esercito in aree come il networking".

Per creare il layout preciso dei punti quantici per i circuiti, il team ha utilizzato un metodo chiamato SESRE (epitassia di riduzione delle dimensioni codificata dal substrato) sviluppato nel gruppo di Madhukar all'inizio degli anni '90. Nel lavoro attuale, il team ha fabbricato matrici regolari di mesa di dimensioni nanometriche con un orientamento del bordo definito, forma (pareti laterali) e profondità su un substrato semiconduttore piatto, composto da arseniuro di gallio (GaAs). I punti quantici vengono quindi creati sopra i mesa aggiungendo atomi appropriati utilizzando la seguente tecnica.

Primo, gli atomi di gallio (Ga) in arrivo si raccolgono sulla parte superiore delle mesa su scala nanometrica attratti dalle forze di energia superficiale, dove depositano GaAs. Quindi, il flusso in ingresso viene commutato in atomi di indio (In), per depositare a sua volta arseniuro di indio (InAs) seguito da atomi di Ga per formare GaAs e quindi creare i singoli punti quantici desiderati che finiscono per rilasciare singoli fotoni. Per essere utile per creare circuiti ottici, lo spazio tra le nano-mesa piramidali deve essere riempito da materiale che appiattisca la superficie. Il chip finale in cui il GaAs opaco è rappresentato come uno strato traslucido sotto il quale si trovano i punti quantici.

"Questo lavoro stabilisce anche un nuovo record mondiale di punti quantici ordinati e scalabili in termini di purezza simultanea dell'emissione di un singolo fotone superiore al 99,5%, e in termini di uniformità della lunghezza d'onda dei fotoni emessi, che può essere stretto fino a 1,8 nm, che è un fattore da 20 a 40 migliore dei tipici punti quantici, " disse Zhang.

Zhang ha detto che con questa uniformità, diventa possibile applicare metodi consolidati come il riscaldamento locale o i campi elettrici per mettere a punto le lunghezze d'onda dei fotoni dei punti quantici in modo che corrispondano esattamente l'uno all'altro, che è necessario per creare le interconnessioni richieste tra diversi punti quantici per i circuiti.

Ciò significa che per la prima volta i ricercatori possono creare chip fotonici quantistici scalabili utilizzando tecniche di elaborazione dei semiconduttori ben consolidate. Inoltre, gli sforzi del team sono ora concentrati sullo stabilire quanto siano identici i fotoni emessi dallo stesso e/o da punti quantici diversi. Il grado di indistinguibilità è centrale per gli effetti quantistici dell'interferenza e dell'entanglement, che sono alla base dell'elaborazione delle informazioni quantistiche:comunicazione, rilevamento, immagini, o informatica.

Zhang ha concluso:"Ora abbiamo un approccio e una piattaforma materiale per fornire fonti scalabili e ordinate che generano singoli fotoni potenzialmente indistinguibili per applicazioni di informazione quantistica. L'approccio è generale e può essere utilizzato per altre combinazioni di materiali adatte per creare punti quantici che emettono su un ampia gamma di lunghezze d'onda preferite per diverse applicazioni, ad esempio la comunicazione ottica basata su fibra o il regime del medio infrarosso, adatto per il monitoraggio ambientale e la diagnostica medica, " disse Zhang.

Gernot S. Pomrenke, Responsabile del programma AFOSR, Optoelettronica e fotonica hanno affermato che array affidabili di sorgenti di singoli fotoni on-demand su chip sono stati un importante passo avanti.

"Questa impressionante crescita e lavoro di scienza dei materiali si estende per oltre tre decenni di sforzi dedicati prima che le attività di ricerca sull'informazione quantistica fossero di dominio pubblico, " Ha detto Pomrenke. "I finanziamenti e le risorse iniziali dell'AFOSR da altre agenzie del Dipartimento della Difesa sono stati fondamentali nella realizzazione del lavoro impegnativo e della visione di Madhukar, i suoi studenti, e collaboratori. C'è una grande probabilità che il lavoro rivoluzionerà le capacità dei data center, diagnostica medica, difesa e tecnologie correlate".