Una piattaforma allo stato solido per le tecnologie quantistiche
I fotoni rappresentano dei candidati interessanti per l’elaborazione dell’informazione sia classica che quantistica, dove essi fungono da veicoli delle informazioni. Per la generazione e l’instradamento efficienti del fotone, tuttavia, è necessario lo sviluppo di dispositivi ottici che funzionano con bassi numeri di fotoni e raggiungono livelli a singolo emettitore-singolo fotone. La sorgente a singolo fotone ideale produrrebbe impulsi di luce, ognuno contenente non più di un fotone. Inoltre, tutti i fotoni dovrebbero essere identici in tutti i loro gradi di libertà quali la lunghezza d’onda e la polarizzazione. Persino per sviluppare delle sorgenti a singolo elettrone subottimali, i ricercatori hanno dovuto superare molte difficoltà scientifiche e tecnologiche. Nel progetto QD-CQED (A quantum dot in a cavity: A solid state platform for quantum operations), finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER), sono stati progettati i primi dispositivi optoelettronici costituiti da punti quantici posizionati con precisione in microcavità controllate elettricamente. Per ottenere fonti efficienti che producono singoli fotoni praticamente indistinguibili ci sono voluti molti anni di ricerca. La sfida della perfezione “Protocolli quantistici avanzati richiedono sistemi quantistici che siano isolati dal loro ambiente e in cui i fenomeni di decoerenza siano ridotti al minimo,” spiega la dott.ssa Pascale Senellart del Centro nazionale per la ricerca scientifica (CNRS) francese, la ricercatrice principale di QD-CQED. Ovviamente, così non è stato per un emettitore di fotoni allo stato solido inserito in un ambiente vibrante e fluttuante. Inoltre, per raggiungere il livello singolo emettitore-singolo fotone, i ricercatori hanno dovuto accoppiare un punto quantico a una microcavità e costruire il campo magnetico intorno all’emettitore, spingendolo a emettere in un modo ben definito del campo ottico. “Durante lo svolgimento del progetto abbiamo progressivamente compreso che potevamo ridurre sia le cariche fluttuanti che i fononi, ossia gli effetti delle vibrazioni sull’eccitazione elettronica della struttura solida. A tal fine abbiamo confinato il campo ottico sia spazialmente che temporalmente, applicando allo stesso tempo il campo elettrico all’emettitore,” ha detto. A differenza delle tecniche esistenti che prevedono di coprire la cavità con un polimero, il team di QD-CQED ha collegato delle cavità a forma di colonna con un diametro di pochi micron a strutture più grandi utilizzando fili 1D. L’innovativa configurazione (illustrata nell’immagine) è stata determinante per contenere gli effetti dello stato solido che circonda l’emettitore. “Siamo riusciti a mostrare che il nostro atomo artificiale, con i punti quantici che sono formati da migliaia di atomi quando sono inseriti in una matrice allo stato solido, presenta proprietà ottiche simili a un atomo naturale singolo nel vuoto. Ma soprattutto, la nostra implementazione allo stato solido offre i vantaggi dell’integrazione e della scalabilità,” spiega la dott.ssa Senellart. Ben oltre le aspettative La tecnologia della nuova sorgente fornisce singoli fotoni di alta qualità con una luminosità che supera di un ordine di grandezza quella delle sorgenti esistenti. Soprattutto, ha contribuito a portare su scala industriale i compiti intermedi della computazione quantistica, come ad esempio il cosiddetto campionamento bosonico che è stato portato a termine in modo significativamente più rapido rispetto alla tecnologia della sorgente. Il potenziale della tecnologia di QD-CQED emerge dall’ articolo su Nature Photonics che è rientrato nello 0,1 % degli articoli più citati nel campo della fisica accademica per l’anno 2016. Si sta creando un numero crescente di collaborazioni con ricercatori provenienti dalla comunità dell’ottica quantistica al fine di utilizzare le sorgenti. Fino ad oggi, le sorgenti sono state utilizzate per implementare un protocollo di computazione ottica e per dimostrare delle porte a due fotoni. I collaboratori hanno mostrato che è possibile controllare efficacemente un quantum bit stazionario con impulsi di luce che includono solo pochi fotoni. La dott.ssa Senellart conclude dicendo: “Nel 2017 verrà creata un’azienda spin-off per consentire a una comunità più ampia di trarre beneficio da questo progresso. Questa iniziativa è opera di due giovani ricercatori, che nella loro ricerca sono entrambi stati sostenuti da QD-CQED. Il futuro delle tecnologie dell’ottica quantistica sembra luminoso!”
Parole chiave
Tecnologie quantistiche, microcavità ottiche, punti quantici, sorgente a singolo fotone, QD-CQED
