"I centri T sono un tipo di difetto atomico nel reticolo regolare del silicio", ha affermato Songtao Chen, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica.

"I centri T hanno suscitato molto interesse recentemente perché mostrano il potenziale come elementi costitutivi di qubit per le reti quantistiche. Emettono singoli fotoni a una lunghezza d'onda vantaggiosa per le applicazioni di telecomunicazione, ma soffrono di un basso tasso di emissione di fotoni."

L'emissione spontanea - il fenomeno dietro il bagliore familiare di una lucciola o altri effetti luminosi al buio - descrive il processo attraverso il quale un sistema quantomeccanico, come una molecola, un atomo o una particella subatomica, passa a uno stato di energia inferiore mediante rilasciando parte della sua energia sotto forma di fotone. Aumentare il tasso di emissione spontanea nei centri T è uno degli ostacoli che gli scienziati devono superare per rendere praticabili i qubit basati sui centri T.

Incorporando un centro T in un circuito integrato fotonico, Songtao e il suo team hanno aumentato l'efficienza di raccolta per l'emissione di singoli fotoni del centro T di due ordini di grandezza rispetto ai tipici esperimenti di tipo confocale.

Secondo lo studio pubblicato su Nature Communications , il team ha dimostrato che l'accoppiamento con una cavità di cristallo fotonico aumenta la velocità di emissione di fotoni di un centro T di un fattore sette, sfruttando un fenomeno noto come effetto Purcell.

"L'obiettivo del nostro esperimento era dimostrare la capacità di modificare le proprietà ottiche dei singoli centri T nel silicio", ha affermato Yu-En Wong, studente laureato della Rice e coautore dello studio. "Si scopre che la struttura della cavità fotonica influisce sulla velocità di emissione dei fotoni del centro T. Misurando la velocità con e senza l'interazione della cavità, siamo stati in grado di valutare la forza dell'accoppiamento tra la cavità e il centro T."

L'accoppiamento tra la struttura della cavità fotonica e il centro T diventa più forte man mano che scambiano l'energia dei fotoni in modo sempre più rapido, riducendo il tempo in cui l'energia viene immagazzinata nel centro T.

"Questo è ciò che è comunemente noto come effetto Purcell", ha affermato Adam Johnston, studente laureato della Rice e coautore dello studio.

"Quello che abbiamo dimostrato qui è che possiamo sfruttare l'effetto Purcell per ottenere l'emissione di fotone singolo più pura tra tutti i centri di colore nel silicio fino ad oggi e il più grande miglioramento dell'emissione di fotoni per un singolo centro T."

La scoperta rappresenta un passo significativo verso il progresso delle reti quantistiche, che si basano sulle proprietà quantistiche dei fotoni per codificare le informazioni, consentendo sia un'elaborazione significativamente più potente che una maggiore sicurezza.

"La sicurezza delle comunicazioni quantistiche è garantita dai fondamenti della meccanica quantistica, consentendo il rilevamento di persone intercettate con un'elevata probabilità e migliorando così la protezione dei dati sensibili", ha affermato il coautore Ulises Felix-Rendon, che insieme a Johnston e Wong sta portando avanti la ricerca un dottorato in fisica applicata presso il laboratorio Chen.

"Aziende come Google e IBM hanno dimostrato vantaggi significativi offerti dai computer quantistici rispetto alle loro controparti classiche", ha affermato Felix-Rendon.

"Tuttavia, molti dei computer quantistici più avanzati al mondo si limitano a inviare informazioni su cavi raffreddati a temperature criogeniche, il che limita la scalabilità di questi sistemi. Ci auguriamo che il nostro lavoro sia determinante per lo sviluppo di reti quantistiche per connettere computer quantistici remoti e andare oltre attuali ostacoli alla tecnologia quantistica."