Caratteristiche quantistiche dei combs di luce

Le microcombs di frequenza sono sorgenti luminose specializzate che possono funzionare come orologi, righelli e sensori a base di luce per misurare il tempo, la distanza e la composizione molecolare ad alta precisione.

A differenza del miscuglio delle frequenze prodotto dalla luce che ci circonda nella vita quotidiana, ogni frequenza della luce in una fonte di luminosità specializzata nota come un pettine di frequenza (frequency comb) “soliton” oscilla all'unisono, generando impulsi solitari con tempi coerenti.

Ogni “tooth” del pettine (comb) è un colore diverso di luce, distanziato così precisamente che questo sistema è usato per misurare ogni sorta di fenomeni e caratteristiche. Versioni miniaturizzate di questi pettini chiamati microcombs. Ciò, attualmente in fase di sviluppo, ha il potenziale per migliorare innumerevoli tecnologie, compresi i sistemi GPS, le telecomunicazioni, i veicoli autonomi, il monitoraggio del gas serra e il cronometro ultra-preciso.

La dottoressa Jelena Vuckovic (1) è una scienziata presso il laboratorio di ingegneria elettronica della Stanford University ed ha recentemente aderito al team dei microcombs. Inoltre, svolge il ruolo di docente al Jensen Huang di leadership globale nella School of Engineering e presso l'electrical engineering alla Stanford. La scienziata sostiene che: «Molti gruppi del nostro team, hanno dimostrato on-chip frequency combs in una varietà di materiali, anche in carburo di silicio. Tuttavia, fino ad ora, le proprietà ottiche quantiche dei frequency combs sono risultate sfuggenti. Volevamo sfruttare lo sfondo ottico quantico del nostro gruppo per studiare le proprietà quantistiche del soliton microcomb.

Mentre i soliton microcombs sono stati realizzati in altri laboratori, i ricercatori di Stanford sono tra i primi a indagare sulle proprietà ottiche quantistiche del sistema, utilizzando un processo descritto in un articolo pubblicato su Nature Photonics. (2) Quando vengono creati in coppia, si ritiene che i microcomb solitons presentino entanglement - una relazione tra particelle che permette loro di influenzare l'un l'altro anche a distanze incredibili, che è alla base della nostra comprensione della fisica quantistica ed è la base di tutte le tecnologie quantistiche proposte. La maggior parte della luce “classica” che incontriamo su base giornaliera non esibisce entanglement.

«Questa è una delle prime dimostrazioni che questo frequency comb miniaturizzato può generare una luce quantistica interessante - luce non classica - su un chip», ha detto il dottor Kiyoul Yang, uno scienziato di ricerca presso il Vuckovic’s Nanoscale and Quantum Photonics Lab (3) e coautore del documento. «Questo può aprire un nuovo percorso verso le più ampie esplorazioni della luce quantistica utilizzando il frequency comb e i circuiti integrati fotonici per esperimenti su larga scala».

Provando l'utilità del loro strumento, i ricercatori hanno anche fornito prove convincenti di entanglement Quantum all'interno del Soliton Microcomb, che è stato teorizzato e assunto ma deve ancora essere dimostrato dagli studi esistenti.

«Mi piacerebbe veramente vedere i solitons diventare utili per il calcolo quantico perché è un sistema altamente studiato», ha dichiarato Melissa Guidry, (4) una studentessa di laurea nel Nanoscale and Quantum Photonics Lab e coautrice del documento. «Abbiamo molta tecnologia a questo punto per generare solitons su chip a bassa potenza, quindi sarebbe molto interessante essere in grado di prenderlo e mostrare che hai un entanglement».

Il dottor Theodor W. Hänsch, ex professore di fisica presso Stanford, ha vinto il premio Nobel nel 2005 per il suo lavoro sullo sviluppo del primo frequency comb. Per creare ciò che ha studiato Hänsch richiede sofisticate attrezzature da lavoro. Invece, questi ricercatori hanno scelto di concentrarsi sulla versione più recente e “micro”, dove tutte le parti del sistema sono integrate in un unico dispositivo e progettato per adattarsi a un microchip. Questo design consente di risparmiare su costo, dimensioni ed energia.

Per creare il loro comb in miniatura, i ricercatori pompano la luce laser attraverso un anello microscopico di carburo di silicio (che è stato progettato, fabbricato e rafforzato utilizzando le risorse delle strutture condivise di Stanford Nano Shared Facilities (5) e delle strutture di Stanford Nanofabrication Facilities. (6)) Viaggiando intorno all'anello, il laser costruisce intensità e, se tutto va bene, nasce un soliton.

«È affascinante pensare che, invece di avere bisogno di una sofisticata e complicata macchina, puoi semplicemente prendere una pompa laser e un cerchio davvero minuscolo per produrre lo stesso tipo di luce specializzata», ha detto Daniil Lukin, (7) uno studente laureando nel Nanoscale and Quantum Photonics Lab e coautore della ricerca. Ha aggiunto che generare il microcomb su un chip ha permesso una spaziatura ampia tra i denti, che rappresentava un passo verso l'essere in grado di osservare dettagli più particolarizzati del comb.

I passaggi successivi implicavano le apparecchiature in grado di rilevare particelle singole della luce e l'imballaggio del micro anello con diversi solitons, creando un cristallo soliton. «Con il cristallo soliton, puoi vedere che ci sono in realtà impulsi più piccoli di luce tra i denti, che è ciò che misuriamo per dedurre la struttura di entanglement», ha spiegato Melissa Guidry. «Se impianti i tuoi rivelatori lì, puoi dare un'occhiata all'interessante comportamento quantistico con la luce coerente che compone i denti».

Prendendo spunto su alcuni dei primi studi sperimentali degli aspetti quantistici di questo sistema, i ricercatori hanno deciso di provare a confermare un modello teorico, chiamato il modello linearizzato, che è comunemente usato come una scorciatoia per descrivere sistemi quantistici complessi. Nel gestire il confronto, il team si è meravigliato quando ha scoperto che l'esperimento corrispondeva molto bene alla teoria. Quindi, nel momento in cui non hanno ancora misurato direttamente che il loro microcomb ha l'entanglement Quantum, hanno dimostrato che le sue prestazioni corrispondono a una teoria che implica l'entanglement.

I microcombs nei data center potrebbero aumentare la velocità del trasferimento dei dati; Nei satelliti, potrebbero fornire GPS più precisi o analizzare la composizione chimica degli oggetti lontani. Il team Vuckovic è particolarmente interessato al potenziale per i solitons in alcuni tipi di calcolo quantico perché i solitons sono previsti per essere molto impigliati non appena vengono generati.

Con la loro piattaforma e la capacità di studiarla da una prospettiva quantistica, i ricercatori del Nanoscale and Quantum Photonics Lab stanno mantenendo una mente aperta sui progetti futuri. Gli scienziati studieranno la possibilità di eseguire misurazioni sul loro sistema che ha dimostrato definitivamente l'entanglement.

La ricerca è stata finanziata dalla Defense Advanced Research Projects Agency con il supporto dei programmi PIPES e LUMOS, dall'Albion Hewlett Stanford Graduate Fellowship (SGF), da una NSF Graduate Research Fellowship, dalla Fong SGF and the National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship.

Rahul Trivedi, precedentemente ha lavorato alla Stanford University e ora presta servizio al Max-Planck-Institute for Quantum Optics in Germania, è anche un co-autore. Jelena Vuckovic è anche membro del Ginzton Lab, Stanford Bio-X, il Wu Tsai Neurosciences Institute, e gli istituti Pulse e Simes.

Riferimenti:

(1) Jelena Vuckovic

(2) Quantum optics of soliton microcombs

(3) Nanoscale and Quantum Photonics Lab

(4) Melissa Guidry

(5) Stanford Nano Shared Facilities

(6) Stanford Nanofabrication Facilities

(7) Daniil Lukin

Descrizione foto: Una vista ravvicinata dei microrings. - Credit: Vuckovic Lab.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Stanford engineers and physicists study quantum characteristics of ‘combs’ of light