Gli scienziati dell'informazione quantistica sono sempre alla ricerca di combinazioni vincenti di materiali, materiali che possono essere manipolati a livello molecolare per archiviare e trasmettere informazioni in modo affidabile. A seguito di una recente dimostrazione di prova di principio, i ricercatori stanno aggiungendo una nuova combinazione di composti all'elenco dei materiali quantistici.
In uno studio riportato su ACS Photonics , i ricercatori hanno combinato due strutture nanometriche, una fatta di diamante e una di niobato di litio, su un unico chip. Hanno quindi inviato la luce dal diamante al niobato di litio e hanno misurato la frazione di luce che riusciva ad attraversarlo.
Maggiore è questa frazione, più efficiente è l'accoppiamento dei materiali e più promettente l'accoppiamento come componente nei dispositivi quantistici.
Il risultato:uno straordinario 92% della luce è passato dal diamante al niobato di litio.
La ricerca è stata supportata in parte da Q-NEXT, un centro nazionale di ricerca sulla scienza dell’informazione quantistica del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) guidato dall’Argonne National Laboratory del DOE. Amir Safavi-Naeini e Jelena Vuckovic della Stanford University hanno condotto lo studio.
"È stato un risultato entusiasmante ottenere un'efficienza del 92% da questo dispositivo", ha affermato Hope Lee, coautrice dell'articolo e Ph.D. studente presso l'Università di Stanford e ricercatore che ha lavorato con il direttore di Q-NEXT David Awschalom mentre era studente universitario presso l'Università di Chicago. "Ha mostrato i vantaggi della piattaforma."
Le tecnologie quantistiche sfruttano le caratteristiche speciali della materia su scala molecolare per elaborare le informazioni. Si prevede che computer, reti e sensori quantistici avranno un enorme impatto sulle nostre vite in settori quali la medicina, la comunicazione e la logistica.
Le informazioni quantistiche vengono fornite in pacchetti chiamati qubit, che possono assumere molte forme. Nella nuova piattaforma del team di ricerca, i qubit trasmettono informazioni come particelle di luce.
I qubit affidabili sono fondamentali per tecnologie come le reti di comunicazione quantistica. Come nelle reti tradizionali, anche nelle reti quantistiche l’informazione viaggia da un nodo all’altro. I qubit stazionari memorizzano le informazioni all'interno di un nodo; i qubit volanti trasportano informazioni tra i nodi.
Il nuovo chip del gruppo di ricerca costituirebbe la base di un qubit stazionario. Più robusto è il qubit stazionario, più affidabile è la rete quantistica e maggiore è la distanza che le reti possono coprire. Una rete quantistica che si estende su un continente è a portata di mano.
Diamond è stato a lungo pubblicizzato come un’ottima casa per i qubit. Innanzitutto, la struttura molecolare di un diamante può essere facilmente manipolata per ospitare qubit stazionari. Dall’altro, un qubit ospitato su un diamante può conservare le informazioni per un tempo relativamente lungo, il che significa più tempo per eseguire i calcoli. Inoltre, i calcoli eseguiti utilizzando qubit ospitati su diamanti mostrano un'elevata precisione.
Il partner di Diamond nello studio del gruppo, il niobato di litio, è un altro fuoriclasse quando si tratta di elaborare informazioni quantistiche. Le sue proprietà speciali conferiscono agli scienziati versatilità consentendo loro di modificare la frequenza della luce che lo attraversa.
Ad esempio, i ricercatori possono applicare un campo elettrico o una sollecitazione meccanica al niobato di litio per regolare il modo in cui canalizza la luce. È anche possibile invertire l'orientamento della sua struttura cristallina. Farlo a intervalli regolari è un altro modo per modellare il passaggio della luce attraverso il materiale.
"È possibile utilizzare queste proprietà del niobato di litio per convertire e modificare la luce proveniente dal diamante, modulandola in modi utili per diversi esperimenti", ha affermato Jason Herrmann, coautore dell'articolo e Ph.D. studente a Stanford. "Ad esempio, puoi sostanzialmente convertire la luce in una frequenza utilizzata dalle infrastrutture di comunicazione esistenti. Quindi queste proprietà del niobato di litio sono davvero vantaggiose."
Tradizionalmente, la luce proveniente dai qubit ospitati su diamanti viene incanalata in un cavo in fibra ottica o in uno spazio libero. In entrambi i casi, l’apparato sperimentale è poco maneggevole. I cavi in fibra ottica sono lunghi, penzolanti e flosci. La trasmissione di qubit nello spazio libero richiede attrezzature ingombranti.
Tutta questa attrezzatura scompare quando la luce dei qubit del diamante viene invece incanalata nel niobato di litio. Quasi ogni componente può essere inserito in un minuscolo chip.
"C'è un vantaggio nell'avere il maggior numero possibile di dispositivi e funzionalità su un singolo chip", ha affermato Lee. "È più stabile. E ti permette davvero di miniaturizzare le tue configurazioni."
Non solo, ma poiché i due dispositivi sono collegati da un filamento sottilissimo, 1/100 della larghezza di un capello umano, la luce quantistica viene compressa nello stretto passaggio che porta al niobato di litio, aumentando l'interazione della luce con il materiale. e rendendo più semplice la manipolazione delle proprietà della luce.
"Quando tutte le diverse particelle di luce interagiscono insieme in un volume così piccolo, si ottiene un'efficienza molto più elevata nel processo di conversione", ha affermato Herrmann. "Si spera che la possibilità di farlo nella piattaforma integrata dia luogo a efficienze molto più elevate rispetto alla configurazione con fibre o spazio libero."
Una delle sfide nello sviluppo della piattaforma è stata la manipolazione del diamante, largo appena 300 nanometri, per allinearlo con il niobato di litio.
"Abbiamo dovuto colpire il diamante con piccoli aghi per spostarlo finché non sembrava visibilmente che fosse nel punto corretto su questo piatto", ha detto Lee. "È quasi come se lo stessi toccando con delle bacchette."
Misurare la luce trasferita è stato un altro processo meticoloso.
"Dobbiamo davvero assicurarci di tenere conto di tutti i luoghi in cui la luce viene trasmessa o persa per poter dire:'Questo è quanto passa dal diamante al niobato di litio'", ha detto Herrmann. "La misurazione della calibrazione ha richiesto molto lavoro avanti e indietro per essere sicuri di eseguirla correttamente."
Il team sta pianificando ulteriori esperimenti che sfruttino i vantaggi dell’informazione quantistica offerti dal diamante e dal niobato di litio, sia separatamente che insieme. Il loro ultimo successo è solo una pietra miliare in quello che sperano sarà un menu diversificato di dispositivi basati sui due materiali.
"Mettendo insieme queste due piattaforme materiali e incanalando la luce dall'una all'altra, dimostriamo che, invece di lavorare con un solo materiale, si può davvero ottenere il meglio da entrambi i mondi", ha affermato Lee.
Ulteriori informazioni: Daniel Riedel et al, Integrazione fotonica efficiente dei centri di colore del diamante e del niobato di litio a film sottile, ACS Photonics (2023). DOI:10.1021/acsphotonics.3c00992
Informazioni sul giornale: ACS Fotonica
Fornito dal Laboratorio nazionale Argonne
