Fig. 1. Illustrazione schematica di un doppio punto quantico (DQD) e sensori di carica (CS) fabbricati su (110) substrato di GaAs. Credito:Tomohiro Nakagawa et al.
Gli scienziati dell'Istituto di ricerca scientifica e industriale (SANKEN) dell'Università di Osaka, in collaborazione con il Canadian National Research Council (NRC), hanno sviluppato un punto quantico di arseniuro di gallio (GaAs) in grado di intrappolare singoli elettroni. Controllando l'orientamento cristallografico del substrato, il team di ricerca spera di ottimizzare la conversione dei fotoni in elettroni con spin polarizzato. Questo lavoro può aiutare a rendere più pratiche le reti quantistiche, in particolare per crittografare dati sicuri.
Ogni computer o tablet che possiedi si basa su calcoli che utilizzano la carica degli elettroni. Mentre gli attuali dispositivi elettronici hanno raggiunto incredibili prodezze di velocità di elaborazione diventando sempre più piccoli, c'è la possibilità che un giorno i produttori possano presto trovare limiti fondamentali di ciò che può essere fatto utilizzando i metodi convenzionali. Un'alternativa promettente consiste nell'usare anche il momento magnetico intrinseco degli elettroni, chiamato "spin". Poiché questi giri possono essere messi in una sovrapposizione di su e giù contemporaneamente, apre la strada ai computer quantistici che potrebbero essere in grado di risolvere determinati problemi molto più velocemente dell'hardware attuale. Lo spin può essere utilizzato anche come mezzo per la comunicazione quantistica trasferendo informazioni quantistiche con la luce. Ma questo processo di trasferimento di informazioni allo spin di elettroni estremamente piccoli è impegnativo e deve essere eseguito in modo efficiente.
Ora, un team di ricercatori guidato dall'Università di Osaka ha realizzato il primo circuito a punti quantici al mondo controllato da gate GaAs su una superficie orientata (110) che promette di aumentare l'efficienza di conversione dello spin fotone-elettrone (vedi Fig.1). Questo ha l'effetto di codificare le informazioni quantistiche dai fotoni incidenti negli spin degli elettroni. "Riteniamo che la nostra ricerca sia la prima dimostrazione di un circuito a punti quantici definito dal gate che ha anche capacità di rilevamento della carica, utilizzando questo particolare orientamento di un substrato di GaAs", afferma il primo autore Tomohiro Nakagawa.
La conversione di spin fotone-elettrone viene eseguita eccitando un elettrone e una lacuna tramite l'assorbimento di un fotone. Sebbene ci siano due tipi di fori, pesanti e leggeri, convenzionalmente sono stati utilizzati solo fori leggeri nei circuiti a punti quantici GaAs su superfici orientate (001). A causa del modo in cui il foro interagisce con il reticolo cristallino del GaAs, il fattore g, che aiuta a determinare il momento magnetico risultante dallo spin, può essere effettivamente diverso in diversi orientamenti crittografici. Questa caratteristica consente la conversione efficiente delle informazioni quantistiche utilizzando uno stato di lacune pesanti, che prima era impossibile per i substrati convenzionali. In futuro, questo potrebbe far parte di un protocollo per l'invio di chiavi segrete quantistiche non decifrabili per la protezione dei dati sensibili. "Un'applicazione del nostro lavoro potrebbe essere la comunicazione crittografica quantistica assolutamente sicura su lunghe distanze", afferma l'autore corrispondente Akira Oiwa.
Questo lavoro è stato realizzato nell'ambito di una forte collaborazione internazionale con NRC. "Riunire competenze, know-how e strutture complementari può accelerare notevolmente il ritmo del lavoro verso gli obiettivi comuni di entrambi i gruppi, in questo caso, lo sviluppo di reti quantistiche. La collaborazione internazionale sarà vitale per il progresso delle tecnologie di rete quantistica rispetto a nei prossimi decenni", afferma David G. Austing, Senior Research Officer dell'NRC. + Esplora ulteriormente
