Un team internazionale di ricercatori guidati dall'Università del Michigan ha scoperto un nuovo percorso verso l'invio e la ricezione di informazioni con singoli fotoni di luce.

Il loro esperimento ha dimostrato la possibilità di utilizzare un effetto noto come non linearità per modificare e rilevare segnali luminosi estremamente deboli, sfruttare i cambiamenti distinti a un sistema quantistico per far progredire l'informatica di prossima generazione.

Oggi, poiché la tecnologia dell'informazione basata sull'elettronica al silicio viene sempre più strozzata dal riscaldamento e dal consumo di energia, l'ottica non lineare è oggetto di intense ricerche come potenziale soluzione. Il cartone delle uova quantistiche cattura e rilascia fotoni, sostenere stati quantistici "eccitati" mentre possiede l'energia extra. Quando l'energia nel sistema aumenta, ci vuole un salto di energia più grande per arrivare al prossimo stato eccitato:questa è la non linearità.

"I ricercatori si sono chiesti se gli effetti non lineari rilevabili possano essere sostenuti a livelli di potenza estremamente bassi, fino ai singoli fotoni. Questo ci porterebbe al limite inferiore fondamentale del consumo energetico nell'elaborazione delle informazioni, " disse Hui Deng, professore di fisica e autore senior del documento in Natura .

"Abbiamo dimostrato un nuovo tipo di stato ibrido per portarci a quel regime, collegando luce e materia attraverso una serie di punti quantici, " lei ha aggiunto.

I fisici e gli ingegneri hanno utilizzato un nuovo tipo di semiconduttore per creare punti quantici disposti come un cartone per le uova. I punti quantici sono essenzialmente strutture minuscole che possono isolare e confinare singole particelle quantistiche, come elettroni e altro, cose strane. Questi punti sono le tasche nel cartone delle uova. In questo caso, confinano gli eccitoni, quasi-particelle costituite da un elettrone e un "buco". Un buco appare quando un elettrone in un semiconduttore viene spinto in una banda di energia più alta, lasciando una carica positiva al suo posto abituale. Se il buco oscura l'elettrone nella sua banda di energia parallela, i due sono considerati come un'unica entità, un eccitone.

Nei dispositivi convenzionali, con poca o nessuna non linearità, gli eccitoni vagano liberamente e si incontrano a malapena l'uno con l'altro. Questi materiali possono contenere molti eccitoni identici allo stesso tempo senza che i ricercatori notino alcun cambiamento nelle proprietà del materiale.

Però, se l'eccitone è limitato a un punto quantico, diventa impossibile inserire un secondo eccitone identico nella stessa tasca. Avrai bisogno di un eccitone con un'energia più alta se vuoi ottenerne un altro lì dentro, il che significa che avrai bisogno di un fotone di energia più alta per farlo. Questo è noto come blocco quantistico, ed è la causa della non linearità.

Ma i punti quantici tipici sono solo di pochi atomi di diametro, non sono su una scala utilizzabile. Come soluzione, Il team di Deng ha creato una serie di punti quantici che contribuiscono alla non linearità tutto in una volta.

Il team ha prodotto questo panorama energetico del cartone delle uova con due scaglie di semiconduttore, che sono considerati materiali bidimensionali perché costituiti da un unico strato molecolare, solo pochi atomi di spessore. I semiconduttori 2-D hanno proprietà quantistiche molto diverse dai pezzi più grandi. Un fiocco era disolfuro di tungsteno e l'altro era diseleniuro di molibdeno. Disposti con un angolo di circa 56,5 gradi tra i loro reticoli atomici, le due strutture elettroniche intrecciate creavano un reticolo elettronico più grande, con tasche di circa 10 atomi di diametro.

Affinché la matrice di punti quantici all'interno del semiconduttore 2-D possa essere controllata come un gruppo con la luce, il team ha costruito un risonatore creando uno specchio in basso, posandovi sopra il semiconduttore, e quindi depositare un secondo specchio sopra il semiconduttore.

"Devi controllare lo spessore molto strettamente in modo che il semiconduttore sia al massimo del campo ottico, " disse Zhang Long, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Deng e primo autore del documento.

Con il cartone delle uova quantico incorporato nella "cavità" specchiata che ha permesso alla luce laser rossa di risuonare, il team ha osservato la formazione di un altro stato quantico, chiamato polaritone. I polaritoni sono un ibrido degli eccitoni e della luce nella cavità. Ciò ha confermato che tutti i punti quantici interagiscono con la luce in concerto. In questo sistema, Il team di Deng ha mostrato che l'inserimento di alcuni eccitoni nel cartone ha portato a un cambiamento misurabile dell'energia del polaritone, dimostrando la non linearità e mostrando che si stava verificando il blocco quantistico.

"Gli ingegneri possono usare quella non linearità per discernere l'energia depositata nel sistema, potenzialmente fino a quella di un singolo fotone, che rende il sistema promettente come switch a bassissima energia, " ha detto Deng.

Gli switch sono tra i dispositivi necessari per ottenere l'elaborazione a bassissima potenza, e possono essere integrati in cancelli più complessi.

"La ricerca del professor Deng descrive come le non linearità del polaritone possono essere adattate per consumare meno energia, " ha detto Michael Gerhold, responsabile del programma presso l'Ufficio Ricerche dell'Esercito, un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti. "Il controllo dei polaritoni è finalizzato alla futura fotonica integrata utilizzata per il calcolo a bassissima energia e l'elaborazione delle informazioni che potrebbe essere utilizzata per l'elaborazione neuromorfa per i sistemi di visione, elaborazione del linguaggio naturale o robot autonomi".

Il blocco quantistico significa anche che un sistema simile potrebbe essere utilizzato per i qubit, gli elementi costitutivi dell'elaborazione dell'informazione quantistica. Un percorso in avanti è capire come indirizzare ogni punto quantico nell'array come un singolo qubit. Un altro modo sarebbe quello di ottenere il blocco del polaritone, simile al blocco degli eccitoni visto qui. In questa versione, la serie di eccitoni, risuonando a tempo con l'onda luminosa, sarebbe il qubit.

Usato in questi modi, i nuovi semiconduttori 2-D hanno il potenziale per portare i dispositivi quantistici a temperatura ambiente, piuttosto che il freddo estremo dell'azoto liquido o dell'elio liquido.

"Stiamo arrivando alla fine della legge di Moore, " ha detto Steve Forrest, il Professore di Ingegneria Elettrica della Peter A. Franken Distinguished University e coautore dell'articolo, riferendosi all'andamento della densità di transistor su un chip che raddoppia ogni due anni. "I materiali bidimensionali hanno molte proprietà elettroniche e ottiche interessanti che possono, infatti, guidaci in quella terra oltre il silicio."