Un circuito quantistico integrato e “multitasking”

Un gruppo di ricerca internazionale ha inventato il circuito quantistico integrato funzionalmente più complesso mai realizzato da un unico materiale, in grado di generare fotoni entangled. Il circuito è costituito da due sorgenti di fotoni incardinati su un chip di silicio e potrebbe essere utilizzato in svariate applicazioni, come l’elaborazione delle informazioni quantistiche ed esperimenti di ottica quantistica.

Il principio dell’interferenza quantistica è al centro di molti algoritmi e tecnologie per l’elaborazione dell’informazione. Tuttavia, per osservare questo effetto unico, i fotoni impiegati devono essere necessariamente indistinguibili, cioè devono essere identici e prodotti da fonti fotoni identiche, cosa non semplice da realizzare.

Immagine del chip del futuro. (Crediti: physicsworld).

Un team di ricercatori guidati da Mark Thompson dell’Università di Bristol ora è riuscito a superare questo ostacolo realizzando ben due sorgenti di fotoni identici su un singolo chip di silicio. “Queste fonti producono luce aggrovigliata che possiamo controllare insieme all’interferenza quantistica sullo stesso chip”, spiega Thompson. Per generare i fotoni i ricercatori hanno puntato un fascio laser in una pompa infrarossa: il risultato è la produzione di coppie di fotoni tramite un’interazione non lineare con il materiale di silicio. Questa interazione è conosciuta, tecnicamente, come four-wave mixing.

“Abbiamo iniettato il fascio in due regioni sul chip (queste regioni successivamente diventano le due fonti) e combinato la luce prodotta utilizzando un elemento di splitting anche sul chip”, ha commentato Josh Silverstone. “Abbiamo poi controllato con precisione la lunghezza del cammino percorso dai fotoni attraverso una delle fonti variando la temperatura di una delle due fonti guida contenute nel chip, osservando infine le frange di interferenza quantistica. Queste frange sono una firma dell’interferenza quantistica dei due fotoni”.

Il silicio è un materiale straordinario per gli esperimenti di fotonica quantistica: “i nostri circuiti sono stati fatti da Toshiba e Kawasaki, in Giappone, utilizzando tecniche di fabbricazione del silicio che sono da tempo considerate standard. Nel lungo termine, potremmo anche prevedere la rpesenza di fotoni quantici nei dispositivi di elettronica integrati su un unico chip”. Tornando all’esperimento, è degno di nota il fatto che si sia finalmente riusciti ad esaminare l’interferenza quantistica tra due sorgenti di fotoni sullo stesso chip. I presupposti per la costruzione di sistemi quantistici su grande scala sembrano esserci tutti.

Il circuito realizzato in questo esperimento potrebbe infatti essere utilizzato anche per eseguire più complessi chip ottici per l’implementazione delle fibre ottiche. “Ci sono anche implicazioni più ampie per il futuro, tuttavia, in quanto molte fonti di fotoni entangled possono essere combinate su chip di silicio individuali che cooperano in modo altamente efficiente”, conclude Thompson. Le prossime grandi sfide non riguardano solo l’informazione quantistica.

Paper di riferimento:

J. W. Silverstone, et alii., On-chip quantum interference between silicon photon-pair sources, in Nature Photonics10.1038/nphoton.2013.339.