Chip fotonico che genera e misura stati quantistici di luce

Creato un nuovo chip fotonico che può generare e misurare stati quantistici di luce in modi precedentemente possibili solo con apparecchiature di laboratorio ingombranti e costose

Man mano che i dispositivi informatici e di elaborazione delle informazioni diventano sempre più piccoli e potenti, incontrano alcuni limiti fondamentali imposti dalle leggi della fisica quantistica. Il futuro del campo potrebbe risiedere nella fotonica, il parallelo basato sulla luce dell'elettronica. La fotonica è teoricamente simile all'elettronica ma sostituisce i fotoni con gli elettroni e i dispositivi fotonici possono essere in grado di elaborare i dati molto più velocemente delle loro controparti elettroniche, compresi i computer quantistici.

Il campo è ancora molto attivo nella ricerca fondamentale e manca di dispositivi cruciali per diventare pratico. Un nuovo chip fotonico sviluppato al Caltech potrebbe rappresentare un importante passo avanti per il settore, in particolare per l'abilitazione di processori di informazioni quantistiche fotoniche. Può generare e misurare stati quantistici di luce in modi precedentemente possibili solo con apparecchiature di laboratorio ingombranti e costose.

Il chip è basato sul niobite di litio, un sale i cui cristalli hanno molte applicazioni in ottica. Genera quelli che sono noti come stati di luce compressi su un lato del chip e li misura sull'altro lato. Uno stato schiacciato di luce è, per dirla molto semplicemente, luce quando è stato reso meno “rumoroso” a livello quantico. Gli stati compressi di luce sono stati recentemente utilizzati per aumentare la sensibilità di LIGO, l'osservatorio che utilizza i raggi laser per rilevare le onde gravitazionali. Lo stesso stato di luce meno rumoroso è importante se si intende elaborare i dati con dispositivi quantistici basati sulla luce.

«La qualità degli stati quantistici che abbiamo raggiunto supera i requisiti per l'elaborazione delle informazioni quantistiche, che era il territorio di ingombranti configurazioni sperimentali», afferma il dottor Alireza Marandi (1), assistente professore di ingegneria elettrica e fisica applicata al Caltech. «Il nostro lavoro segna un passo importante nella generazione e misurazione di stati quantistici di luce in un circuito fotonico integrato».

«Questa tecnologia mostra un percorso verso lo sviluppo finale di processori ottici quantistici che funzionano a frequenze di clock terahertz», afferma Marandi. «Per fare un confronto, è migliaia di volte più veloce del processore elettronico di un MacBook Pro».

Marandi afferma che è possibile che questa tecnologia possa trovare usi pratici nelle comunicazioni, nel rilevamento e nell'informatica quantistica nei prossimi cinque anni.

«L'ottica è stata tra i percorsi promettenti per la realizzazione di computer quantistici a causa di numerosi vantaggi intrinseci nella scalabilità e nelle operazioni logiche ultraveloci a temperatura ambiente», afferma il dottor Rajveer Nehra (2), studioso post-dottorato e uno dei principali autori dell'articolo. «Tuttavia, una delle principali sfide per la scalabilità è stata la generazione e la misurazione di stati quantistici con qualità sufficienti nella nanofotonica. Il nostro lavoro affronta questa sfida».

Il documento che descrive la ricerca, intitolato “Few-cycle vacuum squeezing in nanophotonics”, è stato pubblicato dalla rivista Science (3).

I coautori includono Nehra e Qiushi Guo, entrambi ricercatori post-dottorato in ingegneria elettrica; e gli studenti laureati in ingegneria elettrica Ryoto Sekine (MS '22), Luis Ledezma, Robert M. Gray e Arkadev Roy.

Il finanziamento per la ricerca è stato fornito da NTT Research, Army Research Office, National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research e NASA.

Riferimenti:

(1) Alireza Marandi

(2) Rajveer Nehra

(3) Few-cycle vacuum squeezing in nanophotonics

Descrizione foto: Nuovo chip fotonico che può generare e misurare stati quantistici di luce. - Credit: Natasha Mutch and Nicolle R. Fuller, Sayo Studio.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New Photonic Chip “Squeezes” More out of Light