I ricercatori dell'Università di Basilea e dell'Università della Ruhr di Bochum hanno sviluppato una fonte di singoli fotoni in grado di produrre miliardi di queste particelle quantistiche al secondo. Con la sua efficienza da record, la sorgente di fotoni rappresenta un nuovo e potente elemento costitutivo per le tecnologie quantistiche.

La crittografia quantistica promette comunicazioni assolutamente sicure. Un componente chiave qui sono le stringhe di singoli fotoni. Le informazioni possono essere immagazzinate negli stati quantici di queste particelle luminose e trasmesse su lunghe distanze. Nel futuro, i processori quantistici remoti comunicheranno tra loro tramite singoli fotoni. E forse il processore stesso utilizzerà i fotoni come bit quantistici per l'elaborazione.

Un prerequisito fondamentale per tali applicazioni, però, è una sorgente efficiente di singoli fotoni. Un gruppo di ricerca guidato dal professor Richard Warburton, Natasha Tomm e la dott.ssa Alisa Javadi dell'Università di Basilea, insieme ai colleghi di Bochum, ora riporta sul giornale Nanotecnologia della natura sullo sviluppo di una sorgente a singolo fotone che superi significativamente in termini di efficienza i sistemi precedentemente noti.

L'"imbuto" guida le particelle di luce

Ogni fotone viene creato eccitando un singolo "atomo artificiale" (un punto quantico) all'interno di un semiconduttore. Generalmente, questi fotoni lasciano il punto quantico in tutte le direzioni possibili e quindi una grande frazione viene persa. Nella sorgente di fotoni ora presentata, i ricercatori hanno risolto questo problema posizionando il punto quantico all'interno di un "imbuto" per inviare tutti i fotoni in una direzione specifica.

L'imbuto è una nuova microcavità che rappresenta la vera innovazione del gruppo di ricerca:la microcavità cattura la quasi totalità dei fotoni e poi li indirizza in una fibra ottica. I fotoni, ciascuno lungo circa due centimetri, emergono all'estremità di una fibra ottica.

L'efficienza dell'intero sistema, ovvero la probabilità che l'eccitazione del punto quantico si traduca effettivamente in un fotone utilizzabile è del 57 percento, più del doppio rispetto alle precedenti sorgenti a singolo fotone. "Questo è un momento davvero speciale, " spiega l'autore principale Richard Warburton. "Sappiamo da un anno o due cosa è possibile in linea di principio. Ora siamo riusciti a mettere in pratica le nostre idee".

Enorme aumento della potenza di calcolo

L'aumento dell'efficienza ha conseguenze significative, Warburton aggiunge:"l'aumento dell'efficienza della creazione di un singolo fotone di un fattore due si aggiunge a un miglioramento complessivo di un fattore di un milione per una serie di dire, 20 fotoni. Nel futuro, vorremmo migliorare ulteriormente la nostra sorgente a singolo fotone:vorremmo semplificarla e perseguire alcune delle sue innumerevoli applicazioni nella crittografia quantistica, informatica quantistica e altre tecnologie".