La capacità di trasmettere informazioni in modo coerente nella banda dello spettro elettromagnetico dalle microonde agli infrarossi è di vitale importanza per lo sviluppo delle reti quantistiche avanzate utilizzate nell'informatica e nelle comunicazioni.
Uno studio condotto da ricercatori dell’Università statale di Campinas (UNICAMP) in Brasile, in collaborazione con i colleghi dell’ETH di Zurigo in Svizzera e della TU Delft nei Paesi Bassi, si è concentrato sull’uso di cavità optomeccaniche nanometriche per questo scopo. Questi risonatori su scala nanometrica promuovono l'interazione tra vibrazioni meccaniche ad alta frequenza e luce infrarossa alle lunghezze d'onda utilizzate dall'industria delle telecomunicazioni.
Un articolo sullo studio è pubblicato sulla rivista Nature Communications .
"I risonatori nanomeccanici agiscono come ponti tra i circuiti superconduttori e le fibre ottiche. I circuiti superconduttori sono attualmente tra le tecnologie più promettenti per l'informatica quantistica, mentre le fibre ottiche vengono abitualmente utilizzate come trasmettitori di informazioni a lunga distanza con poco rumore e nessuna perdita di segnale", ha affermato Thiago Alegre, professore presso l'Istituto di fisica Gleb Wataghin (IFGW-UNICAMP) e ultimo autore dell'articolo.
Secondo Alegre, una delle innovazioni chiave dello studio è stata l’introduzione dell’optomeccanica dissipativa. I dispositivi optomeccanici tradizionali si basano su un'interazione puramente dispersiva, in cui solo i fotoni confinati nella cavità vengono dispersi in modo efficiente. Nell'optomeccanica dissipativa, i fotoni possono essere dispersi direttamente dalla guida d'onda al risonatore. "In questo modo l'interazione optoacustica può essere controllata più strettamente", ha affermato.
Prima di questo studio, l'interazione optomeccanica dissipativa era stata dimostrata solo a basse frequenze meccaniche, precludendo importanti applicazioni come il trasferimento di stati quantistici tra i domini fotonico (ottico) e fononico (meccanico). Lo studio ha dimostrato il primo sistema optomeccanico dissipativo funzionante in un regime in cui la frequenza meccanica superava la larghezza di linea ottica.
"Siamo riusciti ad aumentare la frequenza meccanica di due ordini di grandezza e a ottenere un aumento di dieci volte del tasso di accoppiamento optomeccanico. Ciò offre prospettive molto promettenti per lo sviluppo di dispositivi ancora più efficaci", ha affermato Alegre.
Realizzati in collaborazione con TU Delft, i dispositivi sono stati progettati per utilizzare tecnologie ben consolidate nel settore dei semiconduttori. Fasci nanometrici di silicio sono stati sospesi e liberi di vibrare in modo da confinare contemporaneamente la luce infrarossa e le vibrazioni meccaniche. Una guida d'onda posizionata lateralmente in modo da consentire l'accoppiamento della fibra ottica alla cavità ha dato origine all'accoppiamento dissipativo, ingrediente chiave dei risultati presentati dai ricercatori.
Lo studio offre nuove possibilità per la costruzione di reti quantistiche. Oltre a questa applicazione immediata, pone le basi per la futura ricerca fondamentale. "Ci aspettiamo di essere in grado di manipolare individualmente le modalità meccaniche e di mitigare le non linearità ottiche nei dispositivi optomeccanici", ha affermato Alegre.
Ulteriori informazioni: André G. Primo et al, Optomeccanica dissipativa nei risonatori nanomeccanici ad alta frequenza, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41127-7
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