La scienza dell'informazione quantistica è davvero affascinante:coppie di minuscole particelle possono essere intrecciate in modo tale che un'operazione su una delle due le influenzerà entrambe, anche se sono fisicamente separate. Un processo apparentemente magico chiamato teletrasporto può condividere informazioni tra diversi sistemi quantistici remoti.
Questi diversi sistemi possono essere accoppiati utilizzando processi quantistici per formare reti di comunicazione quantistica. Comunicazioni sicure, calcolo quantistico distribuito e rilevamento quantistico sono solo alcune delle notevoli applicazioni potenziali.
Attraverso più di tre decenni di Quantum 2.0 – il periodo di ricerca e sviluppo quantistico che copre lo sviluppo di dispositivi, sistemi e protocolli quantistici per generare e utilizzare l’entanglement quantistico – la stragrande maggioranza degli esperimenti richiedeva ottiche ingombranti e schemi di allineamento specializzati che spesso abbracciavano grandi ottiche per scopi speciali. tavoli flottanti pneumaticamente per evitare la più piccola vibrazione meccanica.
Nello stesso modo in cui l’elettronica miniaturizzata integrata in silicio ha consentito l’evoluzione dei processori per computer da grandi gruppi di condensatori, tubi e magneti su scala locale a piccoli ma potenti microchip contenenti milioni e milioni di componenti su cui si basano le nostre tecnologie moderne e “intelligenti”; i componenti e i processi quantistici devono essere miniaturizzati utilizzando l'ottica integrata per aprire la strada alla diffusione e all'uso su larga scala della scienza dell'informazione quantistica oltre gli esperimenti su scala di laboratorio e verso usi nella vita reale.
Il carburo di silicio (SiC) è una piattaforma leader per processi integrati, potenziata negli ultimi anni dal suo utilizzo nei sistemi elettronici integrati di tecnologie verdi come i veicoli elettrici. Questa applicazione ha portato a miglioramenti significativi nella qualità dei wafer SiC, il formato base per la creazione di dispositivi integrati.
Nel campo della scienza quantistica, il SiC è emerso come un materiale promettente per la fotonica quantistica integrata (IQP), superando i problemi di scalabilità riscontrati in altri materiali come il silicio. Le proprietà uniche del SiC lo rendono ideale per i processi ottici quantistici integrati, ma persistono sfide per sfruttarne tutto il potenziale. Le recenti scoperte nella generazione di fotoni entangled su microchip SiC segnano un passo significativo verso lo sblocco delle sue capacità per applicazioni quantistiche pratiche.
In un nuovo articolo pubblicato su Light:Science &Applications , gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) di Gaithersburg, MD e della Carnegie Mellon University di Pittsburg, Pennsylvania, hanno riportato la prima dimostrazione di una sorgente di fotoni entangled su scala di chip nel SiC.
Il dispositivo è implementato mediante un processo non lineare di ordine elevato noto come miscelazione spontanea a quattro onde (SFWM) utilizzando un risonatore ottico a microanello integrato modellato su una piattaforma 4H-SiC su isolante.
L'esperimento è progettato in modo tale che le coppie di fotoni (segnale e folle) siano alla lunghezza d'onda delle telecomunicazioni e ideali per essere trasmesse in fibre ottiche (che è importante per le comunicazioni quantistiche e le reti quantistiche) e siano create in modo tale da essere entangled nel tempo e nell’energia (noto come entanglement tempo-energia). I ricercatori riferiscono di aver generato coppie di fotoni entangled di alta qualità e di elevata purezza.
Questi ricercatori riassumono le caratteristiche del nuovo dispositivo, affermando "I nostri risultati, incluso un rapporto massimo di coincidenza/accidentale> 600 per un tasso di coppia di fotoni su chip di (9 ± 1) × 10 3 coppie/s e una potenza della pompa di 0,17 mW, un annunciato ???? (2) (0) nell'ordine di 10 -3 e la visibilità di una frangia di interferenza a due fotoni superiore al 99% dimostrano inequivocabilmente che i dispositivi integrati basati su SiC possono essere utilizzabili per l'elaborazione di informazioni quantistiche su scala di chip. Inoltre, questi risultati sono paragonabili a quelli ottenuti da piattaforme fotoniche integrate più mature come il silicio."
"Crediamo che il nostro studio fornisca un forte supporto alla competitività della piattaforma 4H-SiC su isolante per applicazioni quantistiche. Ad esempio, la sorgente di fotoni entangled dimostrata può essere facilmente implementata in una rete in fibra ottica per la comunicazione quantistica.
"Inoltre, allineando la lunghezza d'onda del fotone inattivo alla linea zero-fononica di vari centri di colore presenti nel SiC, possiamo creare un entanglement tra il fotone del segnale e lo stato di spin. Questo processo di allineamento della lunghezza d'onda può anche essere integrato e implementato sia attraverso l'ingegneria della dispersione su scala chip o la conversione di frequenza", hanno aggiunto.
Il futuro per l'ottica integrata basata su SiC è certamente promettente poiché i ricercatori affermano che "tutte queste possibilità indicano un futuro luminoso per la fotonica quantistica basata su SiC consentendo l'integrazione di una moltitudine di processi fotonici ed elettrici quantistici su scala di chip con colori centri per varie applicazioni."
