Sebbene i punti quantici dei ricercatori di Basilea siano diversi, emettono particelle di luce esattamente identiche. Credito:Università di Basilea, Dipartimento di Fisica
Particelle di luce identiche (fotoni) sono importanti per molte tecnologie basate sulla fisica quantistica. Un team di ricercatori di Basilea e Bochum ha ora prodotto fotoni identici con diversi punti quantici, un passo importante verso applicazioni come comunicazioni a prova di tocco e Internet quantistico.
Molte tecnologie che fanno uso di effetti quantistici si basano su fotoni esattamente uguali. La produzione di tali fotoni, tuttavia, è estremamente difficile. Non solo devono avere esattamente la stessa lunghezza d'onda (colore), ma anche la loro forma e polarizzazione devono corrispondere.
Un team di ricercatori guidato da Richard Warburton dell'Università di Basilea, in collaborazione con i colleghi dell'Università di Bochum, è ora riuscito a creare fotoni identici provenienti da sorgenti diverse e ampiamente separate.
Singoli fotoni da punti quantici
Nei loro esperimenti, i fisici hanno utilizzato i cosiddetti punti quantici, strutture in semiconduttori di dimensioni di pochi nanometri. Nei punti quantici, gli elettroni sono intrappolati in modo tale da poter assumere solo livelli di energia molto specifici. La luce viene emessa durante il passaggio da un livello all'altro. Con l'aiuto di un impulso laser che attiva tale transizione, è possibile creare singoli fotoni premendo un pulsante.
"Negli ultimi anni, altri ricercatori hanno già creato fotoni identici con punti quantici diversi", spiega Lian Zhai, ricercatore post-dottorato e primo autore dello studio che è stato recentemente pubblicato su Nature Nanotechnology . "Per farlo, tuttavia, da un numero enorme di fotoni hanno dovuto scegliere quelli più simili utilizzando filtri ottici". In questo modo sono rimasti solo pochissimi fotoni utilizzabili.
Warburton ei suoi collaboratori hanno scelto un approccio diverso e più ambizioso. In primo luogo, gli specialisti di Bochum hanno prodotto arseniuro di gallio estremamente puro da cui sono stati ricavati i punti quantici. Le variazioni naturali tra i diversi punti quantici potrebbero così essere ridotte al minimo. I fisici di Basilea hanno quindi utilizzato elettrodi per esporre due punti quantici a campi elettrici sintonizzati con precisione. Quei campi hanno modificato i livelli di energia dei punti quantici e sono stati regolati in modo tale che i fotoni emessi dai punti quantici avessero esattamente la stessa lunghezza d'onda.
93% identico
Per dimostrare che i fotoni erano in realtà indistinguibili, i ricercatori li hanno inviati su uno specchio semiargentato. Hanno osservato che, quasi ogni volta, le particelle di luce passavano attraverso lo specchio in coppia oppure venivano riflesse in coppia. Da tale osservazione hanno potuto concludere che i fotoni erano identici al 93%. In altre parole, i fotoni formavano gemelli anche se "nati" in modo completamente indipendente l'uno dall'altro.
Moreover, the researchers were able to realize an important building block of quantum computers, a so-called controlled NOT gate (or CNOT gate). Such gates can be used to implement quantum algorithms that can solve certain problems much faster than classical computers.
"Right now our yield of identical photons is still around one percent," Ph.D. student Gian Nguyen concedes. Together with his colleague Clemens Spindler he was involved in running the experiment. "We already have a rather good idea, however, how to increase that yield in the future." That would make the twin-photon method ready for potential applications in different quantum technologies. + Esplora ulteriormente
