*Gli scienziati hanno fatto un passo avanti nello sviluppo di sorgenti di luce quantistica ultrasottile, dimostrando come le interazioni eccitoniche possono migliorare significativamente l’efficienza della generazione di fotoni entangled.*
Le sorgenti di luce quantistica sono componenti cruciali in varie tecnologie quantistiche, come l’informatica quantistica, la comunicazione quantistica e la metrologia quantistica. Queste fonti emettono fotoni che sono intrecciati, il che significa che le loro proprietà sono collegate in un modo che non può essere spiegato dalla fisica classica. Questo entanglement è una risorsa fondamentale per molte tecnologie quantistiche e consente attività come comunicazioni sicure e misurazioni ad alta precisione.
Tradizionalmente, i fotoni entangled vengono generati utilizzando voluminosi cristalli non lineari, che in genere hanno uno spessore di diversi millimetri. Questi cristalli richiedono elevate potenze di pompa e soffrono di bassa efficienza, limitando le loro applicazioni pratiche. Per superare queste sfide, i ricercatori hanno esplorato sorgenti di luce quantistica ultrasottile, che offrono il potenziale per dispositivi compatti, efficienti e scalabili.
In un recente studio pubblicato sulla rivista Nature Photonics , scienziati dell'Università di Tokyo, dell'Istituto nazionale per la scienza dei materiali (NIMS) e dell'Università di elettrocomunicazioni in Giappone hanno dimostrato come le interazioni eccitoniche possono aumentare l'efficienza della generazione di fotoni entangled in sorgenti di luce quantistica ultrasottile.
Il team, guidato dal professor Yasuhiko Arakawa, ha fabbricato eterostrutture semiconduttrici ultrasottili costituite da strati alternati di arseniuro di gallio (GaAs) e arseniuro di alluminio (AlAs). Queste eterostrutture mostrano forti interazioni eccitoniche, dove gli elettroni e le lacune nel materiale semiconduttore formano stati legati chiamati eccitoni. Gli eccitoni hanno proprietà distinte che possono essere sfruttate per potenziare le interazioni luce-materia e migliorare l'efficienza della generazione di fotoni.
Progettando attentamente lo spessore e la composizione delle eterostrutture, i ricercatori sono riusciti a ottenere una generazione altamente efficiente di fotoni entangled. Hanno osservato un aumento significativo nel tasso di emissione di fotoni entangled rispetto alle convenzionali sorgenti di luce quantistica ultrasottile senza interazioni eccitoniche.
La maggiore efficienza è attribuita all'effetto Purcell, che descrive la modifica dei tassi di emissione spontanea in presenza di cavità ottiche risonanti. Nelle eterostrutture ultrasottili, gli eccitoni agiscono come emettitori localizzati e le forti interazioni eccitoniche creano un ambiente favorevole per l'effetto Purcell. Ciò porta a un’emissione più rapida ed efficiente di fotoni entangled.
Lo studio rappresenta un significativo passo avanti nello sviluppo di sorgenti di luce quantistica ultrasottile. La generazione efficiente di fotoni entangled in queste strutture ultrasottili apre la strada alla realizzazione di dispositivi quantistici compatti e ad alte prestazioni e apre nuove possibilità per le tecnologie di elaborazione e comunicazione delle informazioni quantistiche.
"I nostri risultati forniscono un percorso promettente per lo sviluppo di sorgenti di luce quantistica pratiche", afferma il professor Arakawa. “Sfruttando le interazioni eccitoniche, possiamo ottenere una generazione efficiente di fotoni entangled in semiconduttori ultrasottili, consentendo la miniaturizzazione e l’integrazione di dispositivi quantistici per le future tecnologie quantistiche”.
