Le interfacce luce-atomi sono la chiave per la tecnologia quantistica
Nella vita di tutti i giorni, controlliamo e manipoliamo abitualmente la luce utilizzando specchi, cavi a fibra ottica e altri materiali per inviare informazioni ed eseguire altri compiti. Gli scienziati sono sempre più interessati a ciò che accade quando interagiamo con la luce su scala atomica. «Su questa scala, le interazioni sono governate dalla meccanica quantistica, che può portare a un comportamento diverso da quello che potremmo aspettarci sulla base delle nostre esperienze quotidiane», spiega il coordinatore del progetto DAALI, Darrick Chang, dell’Istituto di scienze fotoniche in Spagna. «C’è un enorme interesse per il modo in cui queste interazioni potrebbero giovare alle tecnologie informatiche e di calcolo che si basano sulla meccanica quantistica.»
Elementi costitutivi delle tecnologie informatiche quantistiche
Questa ricerca è ancora in fase iniziale. «Ad esempio, la migliore porta fotonica a oggi dimostrata – un elemento costitutivo di base per implementare la logica quantistica e la computazione quantistica – fallisce ancora più spesso di quanto non abbia successo», spiega Chang. Il progetto DAALI ha quindi cercato di ottenere efficienze più elevate per le interazioni atomo-luce. A tal fine, il progetto si è concentrato su due approcci relativamente nuovi ed entusiasmanti. «Il primo è stato quello di sviluppare piattaforme dirompenti basate sull’interfacciarsi degli atomi con dispositivi nano-fotonici», spiega Chang. «I sistemi nano-fotonici offrono un eccellente potenziale di scalabilità, mentre la capacità di confinare la luce in piccole regioni ci permette di avvicinarci ai limiti ultimi delle forze di interazione atomo-luce.» Il secondo obiettivo del progetto era quello di sfruttare nuovi principi potenti per le interazioni luce-materia, in particolare l’uso di serie ordinate di atomi. «L’uso di serie dense e ordinate ci permette di sfruttare i forti effetti di interferenza nella dispersione della luce», aggiunge Chang. «A oggi, tuttavia, è stato difficile sviluppare piattaforme sperimentali con serie perfette di atomi.»
Implementazione di compiti quantistici complessi
Per quanto riguarda la nano-fotonica, il team è stato in grado di accoppiare singoli atomi a cavità in modalità camera a sussurro e di implementare compiti quantistici più complessi di quanto fosse stato possibile in precedenza. Sono stati compiuti progressi notevoli anche nell’implementazione di un nuovo tipo di interfaccia, in cui gli atomi sono accoppiati a guide d’onda di cristallo fotonico. Il team del progetto ha ideato nuovi modi per realizzare serie perfette di atomi per applicazioni di ottica quantistica. «Il team ha sviluppato il primo “microscopio quantistico a gas” per gli atomi di stronzio», osserva Chang. «Si tratta di una piattaforma potenzialmente potente non solo per l’ottica quantistica, ma anche per altri settori della scienza quantistica come la simulazione quantistica.» Il team ha anche sviluppato teorie per realizzare brevi catene perfette di atomi accoppiati a un sistema nano-fotonico, basate sulla «cacciata» di qualsiasi atomo che non appartenga a una catena perfetta.
Migliorare le interfacce quantistiche atomo-luce
Questi risultati potrebbero avere implicazioni notevoli per le tecnologie quantistiche. «La luce è l’unico modo naturale per comunicare informazioni su lunghe distanze», spiega Chang. «Migliorare le interfacce quantistiche atomo-luce dovrebbe quindi essere un elemento fondamentale per qualsiasi rivoluzione quantistica.» Per rendere questi sistemi pienamente funzionali – ad esempio per implementare una porta fotonica che superi gli approcci precedenti – ci vorrà ancora del tempo. Tuttavia, Chang e il suo team credono fermamente nel potenziale di questi nuovi sistemi e sperano che, con un impegno costante, nei prossimi anni sia possibile realizzare una porta fotonica migliore. «Il tipico manuale di ottica quantistica odierno non menziona mai la teoria di come le serie di atomi, o gli atomi accoppiati a dispositivi nano-fotonici, interagiscono con la luce», aggiunge Chang. «La mia speranza è che questi sistemi cambino il modo in cui costruiamo e pensiamo alle interfacce atomo-luce e a ciò che possiamo fare con esse. Se ciò accadrà, dovremo riscrivere i libri!»
Parole chiave
DAALI, atomico, quantistico, tecnologie, atomi, fotone, nano-fotonico
