Un nuovo metodo per controllare singoli fotoni senza generare calore rende possibile integrare commutatori ottici e rilevatori a singolo fotone in un unico chip.
Grazie al lavoro di alcuni ricercatori dell’Istituto Reale di Tecnologia KTH, in Svezia, e dell’Università Johannes Kepler di Linz, in Austria, è ora possibile integrare commutatori ottici e rilevatori a singolo fotone in un unico chip. Con il sostegno del progetto S2QUIP finanziato dall’UE, il team di ricerca ha contribuito a promuovere il settore del calcolo quantistico attraverso lo sviluppo di un nuovo metodo privo di calore per il controllo dei singoli fotoni.
Il lavoro e i risultati del team sono stati pubblicati sulla rivista «Nature Communications». Gli attuali commutatori ottici funzionano mediante riscaldamento di guide di luce all’interno di un chip semiconduttore. «Questo approccio non funziona per l’ottica quantistica», osserva in un articolo pubblicato sul sito web «EurekAlert!» il primo autore Samuel Gyger dell’Istituto Reale di Tecnologia KTH, che è partner del progetto S2QUIP. «Poiché vogliamo rilevare ogni singolo fotone, utilizziamo rilevatori quantistici che agiscono misurando il calore generato da un singolo fotone quando questo viene assorbito da un materiale superconduttore. Se utilizzassimo i commutatori tradizionali, i nostri rilevatori sarebbero inondati di calore, e quindi non funzionerebbero», chiarisce Gyger. Il calore generato da circuiti fotonici riconfigurabili è pertanto incompatibile con i rilevatori superconduttori a singolo fotone sensibili al calore, il che rende difficile l’integrazione di tali circuiti e di rilevatori su un unico chip.Per risolvere il problema, i ricercatori hanno sviluppato un commutatore ottico che viene riconfigurato con movimento elettromeccanico microscopico anziché con il calore. I singoli fotoni possono così essere controllati senza che il chip semiconduttore si riscaldi e renda non funzionanti i rilevatori a singolo fotone. Ciò rende il commutatore compatibile con i rilevatori sensibili al calore, consentendone pertanto l’integrazione su un singolo chip.
Oltre a dimostrare la compatibilità su chip di circuiti fotonici riconfigurabili e di rilevatori superconduttori a singolo fotone, i ricercatori hanno anche testato tre funzionalità chiave delle tecnologie quantistiche fotoniche, ovvero l’instradamento riconfigurabile della luce classica e quantistica, il rilevamento ad alta gamma dinamica di singoli fotoni e la stabilizzazione elettrica dell’eccitazione ottica mediante un circolo di retroazione. I risultati hanno dimostrato che la combinazione di sistemi microelettromeccanici e rilevatori a nanofili superconduttori a singolo fotone «consente l’integrazione su chip non solo dei principali elementi costitutivi dell’ottica quantistica, ma anche di dispositivi per il controllo adattivo, il monitoraggio e la stabilizzazione dell’ottica classica e quantistica», si legge nel rapporto.
«La nostra tecnologia aiuterà a connettere tutti gli elementi costitutivi necessari per circuiti ottici integrati destinati alle tecnologie quantistiche», osserva il coautore Carlos Errando-Herranz dell’Istituto Reale di Tecnologia KTH nel già citato articolo pubblicato su «EurekAlert!». «Le tecnologie quantistiche garantiranno una crittografia sicura dei messaggi e consentiranno metodi di calcolo in grado di risolvere problemi non gestibili dagli attuali computer. Inoltre, offriranno strumenti di simulazione che ci permetteranno di comprendere le leggi fondamentali della natura, portando così alla creazione di nuovi materiali e medicine».
L’obiettivo del progetto S2QUIP (Scalable Two-Dimensional Quantum Integrated Photonics) è di indurre un cambiamento di paradigma nello sviluppo di sorgenti di luce quantistica a chip integrato scalabili ed economicamente convenienti. Il progetto si concluderà a marzo 2022.
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