In tutto il mondo, gli specialisti stanno lavorando per implementare le tecnologie dell'informazione quantistica. Un percorso importante riguarda la luce:guardando al futuro, i singoli pacchetti di luce, noti anche come quanti di luce o fotoni, potrebbero trasmettere dati sia codificati che effettivamente a prova di tocco. A tal fine, sono necessarie nuove sorgenti di fotoni che emettano singoli quanti di luce in modo controllato e su richiesta. Solo di recente è stato scoperto che il silicio può ospitare sorgenti di singoli fotoni con proprietà adatte alla comunicazione quantistica. Finora, tuttavia, nessuno ha saputo integrare le sorgenti nei moderni circuiti fotonici.

Per la prima volta, un team guidato dall'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha ora presentato una tecnologia di produzione appropriata utilizzando nanopillari di silicio:un metodo di incisione chimica seguito da bombardamento ionico. La loro ricerca è pubblicata nel Journal of Applied Physics .

"Le sorgenti di silicio e di singolo fotone nel campo delle telecomunicazioni sono da tempo l'anello mancante nell'accelerare lo sviluppo della comunicazione quantistica mediante fibre ottiche. Ora abbiamo creato i presupposti necessari per questo", spiega il dott. Yonder Berencén dell'Istituto di ioni di HZDR Beam Physics and Materials Research che ha condotto lo studio attuale. Sebbene le sorgenti a fotone singolo siano state fabbricate in materiali come i diamanti, solo le sorgenti a base di silicio generano particelle di luce alla giusta lunghezza d'onda per proliferare nelle fibre ottiche, un vantaggio considerevole per scopi pratici.

I ricercatori hanno raggiunto questa svolta tecnica scegliendo una tecnica di incisione a umido, ciò che è noto come MacEtch (incisione chimica assistita da metallo), piuttosto che le tecniche di incisione a secco convenzionali per la lavorazione del silicio su un chip. Questi metodi standard, che consentono la creazione di strutture fotoniche di silicio, utilizzano ioni altamente reattivi. Questi ioni inducono difetti di emissione di luce causati dal danno da radiazioni nel silicio. Tuttavia, sono distribuiti casualmente e sovrappongono il segnale ottico desiderato con il rumore. L'incisione chimica assistita da metallo, d'altra parte, non genera questi difetti, ma il materiale viene inciso chimicamente sotto una specie di maschera metallica.

L'obiettivo:sorgenti di fotoni singoli compatibili con la rete in fibra ottica

Utilizzando il metodo MacEtch, i ricercatori hanno inizialmente fabbricato la forma più semplice di una potenziale struttura di guida delle onde luminose:nanopillari di silicio su un chip. Hanno quindi bombardato i nanopillari finiti con ioni di carbonio, proprio come farebbero con un enorme blocco di silicio, generando così sorgenti di fotoni incorporate nei pilastri. L'impiego della nuova tecnica di incisione significa che le dimensioni, la spaziatura e la densità superficiale dei nanopillari possono essere controllate e regolate con precisione per essere compatibili con i moderni circuiti fotonici. Per ogni millimetro quadrato di chip, migliaia di nanopillari di silicio conducono e raggruppano la luce proveniente dalle sorgenti dirigendola verticalmente attraverso i pilastri.

I ricercatori hanno variato il diametro dei pilastri perché "speravamo che ciò significasse che avremmo potuto creare un singolo difetto su pilastri sottili e generare effettivamente una singola sorgente di fotoni per pilastro", spiega Berencén. "La prima volta non ha funzionato perfettamente. In confronto, anche per i pilastri più sottili, la dose del nostro bombardamento di carbonio era troppo alta. Ma ora il passo verso le sorgenti di fotoni singoli è breve."

Questo è un passaggio su cui il team sta già lavorando intensamente perché la nuova tecnica ha anche scatenato una specie di corsa per applicazioni future.

"Il mio sogno è integrare tutti gli elementi costitutivi elementari, da una singola sorgente di fotoni tramite elementi fotonici fino a un singolo rivelatore di fotoni, su un singolo chip e quindi collegare molti chip tramite fibre ottiche commerciali per formare una rete quantistica modulare", afferma Berencen. + Esplora ulteriormente

Singoli fotoni da un chip di silicio