Punti quantici e tecnologie fotoniche quantiche, lo studio del MIT

Nella ricerca globale per sviluppare dispositivi pratici di calcolo e comunicazione basati sui principi della fisica quantistica, una componente potenzialmente utile si è dimostrata inafferrabile: una fonte di particelle individuali di luce con caratteristiche perfettamente costanti, prevedibili e stabili. Ora, i ricercatori del MIT e della Svizzera dicono di aver fatto passi importanti..

Lo studio, che prevede l’utilizzo di una famiglia di materiali noti come perovskite per rendere particelle emettenti luce chiamati punti quantici, è apparso sulla rivista  Science . Il documento è del dottorando del MIT Hendrik Utzat, professore di chimica Moungi Bawendi, e altri nove al MIT e all’ETH di Zurigo, in Svizzera.

Un nuovo studio mostra che i singoli punti quantici di perovskite potrebbero essere un elemento fondamentale per le tecnologie fotoniche quantistiche per il calcolo o le comunicazioni. Immagine gentilmente concessa dagli autori / MIT

La capacità di produrre singoli fotoni con proprietà precisamente note e persistenti, inclusa una lunghezza d’onda, o un colore, che non fluttua affatto, potrebbe essere utile per molti tipi di dispositivi quantici proposti. Poiché ogni fotone sarebbe indistinguibile dagli altri in termini di proprietà quantomeccaniche, potrebbe essere possibile, ad esempio, ritardare uno di essi e quindi far interagire la coppia l’uno con l’altro, in un fenomeno chiamato interferenza.

“Questa interferenza quantistica tra diversi singoli fotoni indistinguibili è la base di molte tecnologie di informazione quantistica ottica che utilizzano singoli fotoni come vettori di informazioni”, spiega Utzat. “Ma funziona solo se i fotoni sono coerenti, nel senso che conservano i loro stati quantici per un tempo sufficientemente lungo.”

Molti ricercatori hanno cercato di produrre fonti che potrebbero emettere tali singoli fotoni coerenti, ma tutti hanno avuto dei limiti. Fluttuazioni casuali nei materiali che circondano questi emettitori tendono a modificare le proprietà dei fotoni in modi imprevedibili, distruggendone la coerenza. Trovare materiali di emettitore che mantengano la coerenza e siano anche luminosi e stabili è “fondamentalmente impegnativo”, afferma Utzat. Questo perché non solo l’ambiente, ma anche i materiali stessi “forniscono essenzialmente un bagno fluttuante che interagisce casualmente con lo stato quantico elettronicamente eccitato e ne elimina la coerenza”, dice.

“Senza avere una fonte di singoli fotoni coerenti, non è possibile utilizzare nessuno di questi effetti quantistici che sono alla base della manipolazione delle informazioni quantistiche ottiche”, afferma Bawendi, che è il professore di chimica di Lester Wolfe. Un altro importante effetto quantistico che può essere imbrigliato avendo dei fotoni coerenti, dice, è l’entanglement, in cui due fotoni si comportano essenzialmente come se fossero uno, condividendo tutte le loro proprietà.

I precedenti materiali quantici a punto colloidale fabbricati chimicamente avevano tempi di coerenza inspiegabilmente brevi, ma questo gruppo ha scoperto che facendo i punti quantici delle perovskiti, una famiglia di materiali definiti dalla loro struttura cristallina, si producevano livelli di coerenza che erano più di mille volte migliori rispetto alle versioni precedenti . Le proprietà di coerenza di questi punti quantici di perovskite colloidale si avvicinano ora ai livelli di emettitori stabiliti, come difetti simili a atomi in diamante o punti quantici coltivati da fisici che usano epitassia a fasci di fase gas.

Uno dei grandi vantaggi delle perovskiti, hanno scoperto, era che emettevano fotoni molto rapidamente dopo essere stati stimolati da un raggio laser. Questa alta velocità potrebbe essere una caratteristica cruciale per le potenziali applicazioni di calcolo quantistico. Inoltre hanno pochissima interazione con l’ambiente circostante, migliorando notevolmente le loro proprietà di coerenza e stabilità.

Tali fotoni coerenti potrebbero essere utilizzati anche per applicazioni di comunicazione con crittografia quantistica, afferma Bawendi. Un particolare tipo di entanglement, chiamato entanglement di polarizzazione, può essere la base per comunicazioni quantiche sicure che sfidano i tentativi di intercettazione.

Ora che il team ha trovato queste proprietà promettenti, il passo successivo è lavorare sull’ottimizzazione e sul miglioramento delle loro prestazioni per renderle scalabili e pratiche. Per prima cosa, hanno bisogno di raggiungere il 100% di indistinguibilità nei fotoni prodotti. Finora, hanno raggiunto il 20%, “che è già molto notevole”, afferma Utzat, già paragonabile alle coerenze raggiunte da altri materiali, come i difetti fluorescenti simili a atomi di diamante, che sono già sistemi consolidati e sono stati lavorati su molto più a lungo.

“I punti quantici di Perovskite hanno ancora una lunga strada da percorrere finché non diventano applicabili nelle applicazioni reali”, dice, “ma questo è un nuovo sistema di materiali disponibile per la fotonica quantistica che ora può essere ottimizzato e potenzialmente integrato con i dispositivi.”

È un fenomeno nuovo e richiederà molto lavoro per svilupparsi a livello pratico, dicono i ricercatori. “Il nostro studio è molto fondamentale”, osserva Bawendi. “Tuttavia, è un grande passo avanti verso lo sviluppo di una nuova piattaforma materiale che sia promettente.”

Fonte: MIT , scritto da David L. Chandler