Nuove prospettive per la tecnologia quantistica


Nuove prospettive per la tecnologia quantistica

Un nuovo studio nell'ambito della tecnologia quantistica attesta che una cavità porta a una forte interazione tra luce e materia.

I ricercatori sono riusciti a creare un'interfaccia quantico-meccanica efficiente della luce-materia utilizzando una cavità microscopica. All'interno di questa cavità, un singolo fotone viene emesso e assorbito fino a 10 volte da un atomo artificiale. Questo apre nuove prospettive per la tecnologia quantistica, riportano i fisici dell'Università di Basilea e della Ruhr-Università di Bochum sulla rivista Nature. (1)

La fisica quantistica descrive i fotoni come particelle di luce. Raggiungere un'interazione tra un singolo fotone e un singolo atomo è una grande sfida a causa delle dimensioni ridotte dell'atomo. Tuttavia, l'invio del fotone oltre l'atomo più volte per mezzo di specchi aumenta significativamente la probabilità di un'interazione.

Al fine di generare fotoni, i ricercatori usano atomi artificiali, noti come punti quantici. Queste strutture a semiconduttore consistono in un accumulo di decine di migliaia di atomi, ma si comportano in modo molto simile a un singolo atomo: quando sono eccitati otticamente, il loro stato di energia cambia ed emettono un fotone. “Tuttavia, hanno il vantaggio tecnologico di poter essere integrati in un chip a semiconduttore”, afferma il dottor Daniel Najer, che ha condotto l'esperimento presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea.

Sistema di punti quantici e microcavità

Normalmente, queste particelle di luce volano via in tutte le direzioni. Per il loro esperimento, tuttavia, gli scienziati hanno posizionato il punto quantico in una cavità con pareti riflettenti. Gli specchi curvi riflettono il fotone emesso avanti e indietro fino a 10.000 volte, causando un'interazione tra luce e materia.

Le misurazioni mostrano che un singolo fotone viene emesso e assorbito fino a 10 volte dal punto quantico. A livello quantico, il fotone viene trasformato in uno stato di energia superiore dell'atomo artificiale, a quel punto viene creato un nuovo fotone. E questo accade molto rapidamente, il che è molto desiderabile in termini di applicazioni tecnologiche quantistiche: un ciclo dura solo 200 picosecondi.

La conversione di un quanto di energia da un punto quantico a un fotone e viceversa è teoricamente ben supportata, ma “nessuno ha mai osservato queste oscillazioni così chiaramente prima”, afferma il professor Richard J. Warburton (2) del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea .

Interazione seriale di luce e materia

L'esperimento riuscito è particolarmente significativo perché non esistono interazioni fotone-fotone dirette in natura. Tuttavia, è necessaria un'interazione controllata per l'uso nell'elaborazione delle informazioni quantistiche.

Trasformando la luce in materia secondo le leggi della fisica quantistica, un'interazione tra singoli fotoni diventa indirettamente possibile - vale a dire, attraverso la deviazione di un intreccio tra un fotone e un singolo spin di elettroni intrappolato nel punto quantico. Se sono coinvolti molti di questi fotoni, è possibile creare porte quantiche attraverso fotoni aggrovigliati. Questo è un passo fondamentale nella generazione di qubit fotonici, che possono immagazzinare informazioni mediante lo stato quantico delle particelle di luce e trasmetterle su lunghe distanze.

L'esperimento si svolge nella gamma di frequenza ottica e pone elevati requisiti tecnici sulla dimensione della cavità, che deve essere adattata alla lunghezza d'onda e alla riflettività degli specchi, in modo che il fotone rimanga nella cavità il più a lungo possibile.

I punti quantici a semiconduttore e uno specchio della cavità sono stati realizzati dal team guidato dal professor Andreas D. Wieck e dalla dottoressa Arne Ludwig della Ruhr-University Bochum; l'altro specchio è stato realizzato all'Università di Lione. Il supporto teorico è stato fornito dal gruppo di teoria dell'ottica quantistica guidato dal professor Nicolas Sangouard dell'Università di Basilea.

Le risorse finanziarie per i ricercatori di Basilea provenivano dall'NCCR QSIT, dalla Fondazione nazionale svizzera per la scienza e da Orizzonte 2020.

Riferimenti:

(1) A gated quantum dot strongly coupled to an optical microcavity

(2) Richard J. Warburton

Descrizione foto: una cavità microscopica di due specchi altamente riflettenti viene utilizzata per consentire a un atomo artificiale chiuso (noto come punto quantico) di interagire con un singolo fotone. Un fotone viene emesso e riassorbito fino a 10 volte dal punto quantico prima di perdersi. Il punto quantico è controllato elettricamente all'interno di un chip semiconduttore. - Credit: University of Basel, Department of Physics.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Hohlraum vermittelt starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

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