Un team internazionale di ricercatori, affiliato con l'UNIST ha presentato una tecnologia di base per i dispositivi fotonici quantistici utilizzati nell'elaborazione delle informazioni quantistiche. Hanno proposto la combinazione di punti quantici per generare luce e tecnologie fotoniche al silicio per manipolare la luce su un singolo dispositivo.

Questa svolta è stata guidata dal professor Je-Hyung Kim della School of Natural Science dell'UNIST in collaborazione con il professor Edo Waks e un gruppo di ricercatori dell'Università del Maryland, Stati Uniti.

In questo studio, il team di ricerca ha dimostrato l'integrazione di dispositivi fotonici al silicio con un singolo emettitore di fotoni a stato solido. Hanno utilizzato un approccio ibrido che combina guide d'onda fotoniche di silicio con punti quantici InAs/InP che agiscono come fonti efficienti di singoli fotoni a lunghezze d'onda delle telecomunicazioni che abbracciano la banda O e la banda C.

Nell'informatica classica, un bit è una singola informazione che può esistere in due stati, zero o uno. I computer quantistici utilizzano bit quantistici che possono occupare una sovrapposizione che li comprende entrambi allo stesso tempo. Esistono diversi approcci potenzialmente fruttuosi all'elaborazione dell'informazione quantistica, compreso l'atomo, leggero, e dispositivi superconduttori. Però, il futuro dell'informatica quantistica, come lo stato quantico stesso, rimane incerto. Il professor Kim si concentra sull'elaborazione delle informazioni quantistiche utilizzando la luce. I bit quantistici possono essere implementati usando lo stato polarizzato della luce, la sua durata, e le informazioni sul percorso, simile agli spin degli elettroni.

Una sorgente di luce quantistica recentemente sviluppata presenta le caratteristiche della fisica quantistica, compresa la sovrapposizione, entanglement quantistico, e teorema di non clonazione. Ciò ha consentito tecnologie applicative innovative, come simulatori quantistici, trasferimento di stato quantistico, e crittografia quantistica. Però, al fine di commercializzare le tecnologie utilizzate per l'attuale tecnologia di elaborazione dell'informazione quantistica, è necessario eseguire esperimenti di ottica quantistica direttamente sul dispositivo fotonico. Secondo il gruppo di ricerca, tale innovazione potrebbe essere il precursore dei circuiti quantistici, che dovrebbero svolgere un ruolo importante nel futuro dei computer quantistici e delle comunicazioni.

"Per costruire dispositivi ottici quantistici integrati basati su fotoni, è necessario produrre quante più sorgenti di luce quantistica possibile in un singolo chip, " dice il professor Kim. "Attraverso questo studio, abbiamo proposto la forma base dei dispositivi ottici quantistici producendo una sorgente di luce quantistica altamente efficace con punti quantici e creando il percorso per manipolare la luce con l'uso di substrati di silicio".

I punti quantici sono particelle ultrafini o nanocristalli di un materiale semiconduttore con diametri compresi tra due e 10 nanometri (un nanometro è un miliardesimo di metro). Generalmente, i punti quantici assumono la forma di composti. Però, al diminuire delle dimensioni, iniziano a mostrare una struttura energetica discontinua, che risulta avere proprietà simili alla luce emessa dagli atomi. Sebbene i punti quantici siano stati utilizzati con successo come sorgenti a singolo fotone altamente efficienti, avevano difficoltà a controllare la luce.

Nello studio, il team di ricerca ha dimostrato l'integrazione di dispositivi fotonici al silicio con un singolo emettitore di fotoni a stato solido. Qui, hanno utilizzato un approccio ibrido che combina guide d'onda fotoniche di silicio con punti quantici InAs/InP che agiscono come sorgenti efficienti di singoli fotoni a lunghezze d'onda delle telecomunicazioni che abbracciano la banda O e la banda C. Quindi hanno rimosso i punti quantici tramite una procedura pick-and-place con una punta di microsonda combinata con un fascio di ioni focalizzato e un microscopio elettronico a scansione. Questa tecnica ha consentito il trasferimento di nanofasci di InP affusolati contenenti punti quantici di InAs su una guida d'onda di silicio con precisione su scala nanometrica.

"Questa integrazione apre la possibilità di sfruttare le capacità fotoniche altamente avanzate sviluppate nel silicio per controllare e instradare la luce non classica da sorgenti di singoli fotoni su richiesta, " osserva il gruppo di ricerca. "Inoltre, i dispositivi fabbricati operano alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni e possono essere azionati elettricamente, che sono utili per la comunicazione quantistica basata su fibra".

Il dispositivo ottico quantistico, sviluppato dal team di ricerca ha trasferito con successo l'emissione dai punti quantici lungo i circuiti fotonici di silicio con alta efficienza. Usando questo, incorporano anche con successo un divisore di fascio fotonico al silicio su chip per eseguire una misurazione Hanbury-Brown e Twiss.

"Il nostro approccio potrebbe consentire l'integrazione di dispositivi fotonici quantistici III-V precaratterizzati in strutture fotoniche su larga scala per abilitare dispositivi complessi composti da molti emettitori e fotoni, "dice il professor Kim.