La scienza e la tecnologia dell'informazione quantistica sono emerse come un nuovo paradigma per un calcolo notevolmente più veloce e una comunicazione sicura nel 21° secolo. Al centro di ogni sistema quantistico c'è l'elemento costitutivo più elementare, il bit quantistico o qbit, che trasporta l'informazione quantistica che può essere trasferita ed elaborata (questo è l'analogo quantistico del bit utilizzato negli attuali sistemi informativi). Il vettore più promettente qbit per in definitiva veloce, il trasferimento di informazioni quantistiche a lunga distanza è il fotone, l'unità quantistica della luce.
La sfida che gli scienziati devono affrontare è produrre sorgenti artificiali di fotoni per vari compiti di informazione quantistica. Una delle maggiori sfide è lo sviluppo di sistemi efficienti, sorgenti di fotoni scalabili che possono essere montate su un chip e operare a temperatura ambiente. La maggior parte delle sorgenti utilizzate oggi nei laboratori devono essere molto fredde (alla temperatura dell'elio liquido, circa -270°C), che richiede frigoriferi grandi e costosi. Molte sorgenti emettono anche fotoni in direzioni indefinite, rendere la raccolta efficiente un problema difficile.
Ora, un team di scienziati dell'Università Ebraica di Gerusalemme ha dimostrato una sorgente di singolo fotone efficiente e compatta che può operare su un chip a temperatura ambiente. Utilizzando minuscoli nanocristalli fatti di materiali semiconduttori, gli scienziati hanno sviluppato un metodo in cui un singolo nanocristallo può essere posizionato con precisione sopra una nanoantenna appositamente progettata e fabbricata con cura.
Allo stesso modo grandi antenne sui tetti emissione diretta di onde radio classiche per trasmissioni cellulari e satellitari, la nano-antenna ha diretto in modo efficiente i singoli fotoni emessi dai nanocristalli in una direzione ben definita nello spazio. Questo dispositivo combinato nanocristalli-nanoantenna è stato in grado di produrre un flusso altamente direzionale di singoli fotoni che volano tutti nella stessa direzione con un angolo di divergenza record basso. Questi fotoni sono stati poi raccolti con un setup ottico molto semplice, e inviato per essere rilevato e analizzato utilizzando rilevatori di fotoni singoli.
Il team ha dimostrato che questo dispositivo ibrido migliora l'efficienza di raccolta dei singoli fotoni di oltre un fattore 10 rispetto a un singolo nanocristallo senza antenna, senza la necessità di sistemi di raccolta ottica complessi e ingombranti utilizzati in molti altri esperimenti. I risultati sperimentali mostrano che quasi il 40% dei fotoni viene facilmente raccolto con un apparato ottico molto semplice, e oltre il 20% dei fotoni viene emesso in un'apertura numerica molto bassa, un miglioramento di 20 volte rispetto a un punto quantico indipendente, e con una probabilità superiore al 70% per una singola emissione di fotoni. La purezza del singolo fotone è limitata solo dall'emissione dal metallo, un ostacolo che può essere aggirato con un'attenta progettazione e fabbricazione.
Le antenne sono state fabbricate utilizzando semplici strati metallici e dielettrici utilizzando metodi compatibili con le attuali tecnologie di fabbricazione industriale, e molti di questi dispositivi possono essere fabbricati densamente su un piccolo chip. Il team sta ora lavorando a una nuova generazione di dispositivi migliorati che consentiranno la produzione deterministica di singoli fotoni direttamente dal chip nelle fibre ottiche, senza componenti ottici aggiuntivi, con un'efficienza quasi unitaria.
"Questa ricerca apre una strada promettente per un'elevata purezza, alta efficienza, sorgente di fotoni singoli su chip operante a temperatura ambiente, un concetto che può essere esteso a molti tipi di emettitori quantistici. Una sorgente di singolo fotone altamente direzionale potrebbe portare a un progresso significativo nella produzione di compatte, a buon mercato, ed efficienti fonti di bit di informazione quantistica per future applicazioni tecnologiche quantistiche", ha detto il prof. Ronen Rapaport, dell'Istituto di Fisica Racah, Il Dipartimento di Fisica Applicata, e il Centro di nanoscienze e nanotecnologie presso l'Università Ebraica di Gerusalemme.
Lo studio è pubblicato su Nano lettere .
