Minuscoli elementi di diamante inseriti nei circuiti fotonici potrebbero semplificare la costruzione di dispositivi quantistici complessi, migliorando l'integrazione tra emettitori, luce e componenti realizzati con materiali differenti su chip
Una tecnica autoallineante integra emettitori nel diamante e circuiti fotonici, riducendo uno degli ostacoli alla costruzione di dispositivi quantistici più complessi.
Una nuova tecnica permette di integrare minuscoli elementi di diamante nei circuiti fotonici, migliorando il collegamento tra emettitori quantistici e dispositivi destinati a guidare la luce. A guardarli, probabilmente, direbbero poco. Sono minuscoli frammenti di diamante, tanto piccoli da non avere nulla in comune con le pietre preziose che conosciamo.
Eppure proprio strutture di questo tipo potrebbero aiutare a risolvere uno dei problemi che accompagnano lo sviluppo delle future reti quantistiche: far lavorare insieme, senza perdere troppa luce lungo il percorso, componenti costruiti con materiali differenti....
Il loro lavoro, divulgato su Light: Science & Applications (1) riguarda una tecnica di integrazione fotonica nella quale il posizionamento dei diversi elementi non viene affidato soltanto alla precisione delle procedure convenzionali di assemblaggio.
L'idea è costruire il circuito in modo che le parti finiscano per trovarsi già dove servono.
L'idea è costruire il circuito in modo che le parti finiscano per trovarsi già dove servono.
Un difetto del diamante diventa una risorsa
Nel diamante utilizzato dai ricercatori è presente un “silicon vacancy” (SiV).
Nel diamante utilizzato dai ricercatori è presente un “silicon vacancy” (SiV).
Si tratta di un difetto nella disposizione degli atomi del cristallo che, anziché rappresentare un inconveniente, possiede proprietà molto interessanti per la fisica quantistica. Questi centri possono infatti interagire con la luce e presentano stati di spin che possono essere controllati e letti. In altre parole, il diamante può ospitare un elemento microscopico capace di svolgere funzioni utili nell'elaborazione e nella trasmissione dell'informazione quantistica.
Avere un buon emettitore, però, è soltanto metà del problema.
I fotoni prodotti devono essere raccolti e accompagnati all'interno di un circuito. Ed è qui che le cose si complicano: quando l'emettitore e la struttura fotonica appartengono a materiali differenti, anche un piccolo disallineamento può compromettere il passaggio della luce.
Avere un buon emettitore, però, è soltanto metà del problema.
I fotoni prodotti devono essere raccolti e accompagnati all'interno di un circuito. Ed è qui che le cose si complicano: quando l'emettitore e la struttura fotonica appartengono a materiali differenti, anche un piccolo disallineamento può compromettere il passaggio della luce.
Il circuito nasce intorno al diamante
Per affrontare questa difficoltà, il gruppo ha lavorato con minuscoli fasci di diamante e strutture fotoniche in biossido di titanio. Il procedimento è particolare perché sfrutta un sistema autoallineante. Il componente di diamante viene collocato nella struttura predisposta per accoglierlo; successivamente il circuito fotonico viene formato in modo da raccordarsi alla sua posizione.
La differenza può sembrare sottile, ma su queste scale conta parecchio.
Invece di fabbricare separatamente due elementi e tentare poi di farli coincidere con estrema precisione, si riduce il problema dell'allineamento direttamente durante la realizzazione del dispositivo.
È un approccio che potrebbe rendere più semplice la costruzione di architetture ibride, nelle quali ciascun materiale viene scelto per ciò che sa fare meglio.
È un approccio che potrebbe rendere più semplice la costruzione di architetture ibride, nelle quali ciascun materiale viene scelto per ciò che sa fare meglio.
Catturare la luce senza sprecarla
Nel dispositivo sperimentale il diamante ospita quindi il centro SiV, mentre la parte in biossido di titanio si occupa di guidare la luce. I ricercatori hanno anche realizzato una cavità ottica ibrida attorno all'emettitore. La luce può così interagire più efficacemente con il centro quantistico prima di essere indirizzata lungo il circuito fotonico.
Il risultato non riguarda soltanto l'emissione dei fotoni. Nella stessa piattaforma il gruppo è riuscito a inizializzare lo spin del centro “silicon vacancy” (SiV) e successivamente a leggerne lo stato.
È questa combinazione a rendere l'esperimento particolarmente interessante. Generare luce, controllare uno stato quantistico e portare i fotoni dove servono sono operazioni diverse; riuscire a riunirle nello stesso dispositivo significa avvicinarsi a sistemi nei quali più funzioni possano convivere sul medesimo chip.
Non soltanto diamante
Il metodo lascia aperta anche un'altra possibilità.
Il principio sviluppato dal gruppo non è necessariamente legato per sempre alla coppia diamante-biossido di titanio. La stessa strategia potrebbe essere adattata ad altri emettitori quantistici e ad altre piattaforme fotoniche, scegliendo di volta in volta i materiali più adatti. Questo aspetto diventa importante quando si pensa alla scalabilità. Un esperimento quantistico può funzionare molto bene con pochi componenti; trasformarlo in una tecnologia capace di ospitarne molti, invece, pone problemi completamente diversi.
L'integrazione è uno di questi.
Il lungo cammino verso una rete quantistica
Le reti quantistiche promettono di collegare dispositivi che scambiano informazione sfruttando proprietà tipiche della meccanica quantistica.
Le reti quantistiche promettono di collegare dispositivi che scambiano informazione sfruttando proprietà tipiche della meccanica quantistica.
La distanza, però, rimane un avversario difficile: durante il viaggio i fotoni possono andare perduti e un segnale quantistico non può essere semplicemente copiato e amplificato come avviene nelle telecomunicazioni tradizionali.
Per questo si studiano i cosiddetti ripetitori quantistici.
Per questo si studiano i cosiddetti ripetitori quantistici.
L'obiettivo è riuscire, in futuro, a estendere le comunicazioni quantistiche su distanze maggiori senza distruggere l'informazione che si vuole trasferire.
La tecnologia presentata dal dottor Kinfung Ngan e colleghi non rappresenta ancora un ripetitore quantistico pronto per l'impiego. Offre però qualcosa di più concreto di una semplice ipotesi: un modo per integrare nello stesso dispositivo un emettitore nel diamante e un circuito capace di gestire i fotoni che produce.
È uno di quei progressi che, presi singolarmente, possono sembrare piccoli. Nella costruzione di una tecnologia complessa, tuttavia, sono spesso proprio i problemi apparentemente minuti - un allineamento, una perdita di luce, un'interfaccia tra due materiali - a decidere se un esperimento potrà mai diventare qualcosa di più grande.
Riferimenti:
(1) Self-aligned heterogeneous quantum photonic integration
La tecnologia presentata dal dottor Kinfung Ngan e colleghi non rappresenta ancora un ripetitore quantistico pronto per l'impiego. Offre però qualcosa di più concreto di una semplice ipotesi: un modo per integrare nello stesso dispositivo un emettitore nel diamante e un circuito capace di gestire i fotoni che produce.
È uno di quei progressi che, presi singolarmente, possono sembrare piccoli. Nella costruzione di una tecnologia complessa, tuttavia, sono spesso proprio i problemi apparentemente minuti - un allineamento, una perdita di luce, un'interfaccia tra due materiali - a decidere se un esperimento potrà mai diventare qualcosa di più grande.
Riferimenti:
(1) Self-aligned heterogeneous quantum photonic integration
Fonte: ecplanet.net
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