Un mondo quantistico su un chip di silicio

I ricercatori hanno messo a punto una piattaforma per sondare e controllare i qubit nel silicio per le reti quantistiche

L’Internet quantistica sarebbe molto più semplice da costruire se potessimo utilizzare le tecnologie e le infrastrutture di telecomunicazione esistenti. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno scoperto difetti nel silicio – un materiale semiconduttore onnipresente – che potrebbe essere utilizzato per inviare e archiviare informazioni quantistiche su lunghezze d’onda ampiamente utilizzate nelle telecomunicazioni. Questi difetti nel silicio potrebbero essere la scelta migliore tra tutti i candidati promettenti per ospitare qubit per le comunicazioni quantistiche?

La dottoressa Evelyn Hu (1), professoressa di fisica applicata e di ingegneria elettrica alla Tarr-Coyne University presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) (2) dice: «Su una promettente piattaforma di memoria quantistica spesso non si sa quasi nulla sul motivo per cui determinate ricette vengono utilizzate per crearla, su come caratterizzarla rapidamente e sulle loro interazioni. Anche negli insiemi e, in definitiva, come possiamo mettere a punto il loro comportamento affinché possano presentare caratteristiche identiche? Se mai vogliamo creare una tecnologia da questo ampio mondo di possibilità, dobbiamo avere modi per caratterizzarla meglio, più velocemente e in modo più efficiente».

Ora, la dottoressa Hu e un team di ricercatori hanno sviluppato una piattaforma per sondare, interagire e controllare questi sistemi quantistici potenzialmente potenti. Il dispositivo utilizza un semplice diodo elettrico, uno dei componenti più comuni nei chip semiconduttori, per manipolare i qubit all'interno di un wafer di silicio commerciale. Utilizzando questo dispositivo, i ricercatori sono riusciti ad esplorare come il difetto risponde ai cambiamenti nel campo elettrico, sintonizzare la sua lunghezza d'onda all'interno della banda delle telecomunicazioni e persino accenderlo e spegnerlo.

«Una delle cose più interessanti dell'avere questi difetti nel silicio è che puoi usare dispositivi ben conosciuti come i diodi in questo materiale familiare per comprendere un sistema quantistico completamente nuovo e fare qualcosa di nuovo con esso», ha detto Aaron Day, Ph. D. candidato alla SEAS. Day ha co-diretto il lavoro con Madison Sutula, ricercatrice di Harvard.

Sebbene il gruppo di ricerca abbia utilizzato questo approccio per caratterizzare i difetti nel silicio, esso potrebbe essere utilizzato come strumento diagnostico e di controllo per i difetti in altri sistemi materiali.

La ricerca è pubblicata su Nature Communications (3).

I difetti quantistici, noti anche come centri di colore o emettitori quantistici, sono imperfezioni in reticoli cristallini altrimenti perfetti che possono intrappolare singoli elettroni. Quando questi elettroni vengono colpiti da un laser, emettono fotoni in lunghezze d’onda specifiche. I difetti del silicio a cui i ricercatori sono maggiormente interessati per le comunicazioni quantistiche sono noti come centri G e centri T. Quando questi difetti intrappolano gli elettroni, gli elettroni emettono fotoni in una lunghezza d’onda chiamata banda O, ampiamente utilizzata nelle telecomunicazioni.

In questa ricerca, il team si è concentrato sui difetti del centro G. La prima cosa che dovevano capire era come realizzarli. A differenza di altri tipi di difetti, in cui un atomo viene rimosso da un reticolo cristallino, i difetti del centro G vengono realizzati aggiungendo atomi al reticolo, in particolare carbonio. Ma Hu, Day e il resto del gruppo di ricerca hanno scoperto che anche l’aggiunta di atomi di idrogeno è fondamentale per la formazione coerente del difetto.

Successivamente, i ricercatori hanno fabbricato diodi elettrici utilizzando un nuovo approccio che racchiude in modo ottimale il difetto al centro di ogni dispositivo senza degradare le prestazioni né del difetto né del diodo. Il metodo di fabbricazione può creare centinaia di dispositivi con difetti incorporati in un wafer commerciale. Collegando l'intero dispositivo per applicare una tensione, o campo elettrico, il team ha scoperto che quando una tensione negativa veniva applicata al dispositivo, i difetti si spegnevano e si oscuravano.

«Capire quando un cambiamento nell'ambiente porta a una perdita di segnale è importante per progettare sistemi stabili nelle applicazioni di rete», ha affermato Day.

I ricercatori hanno anche scoperto che, utilizzando un campo elettrico locale, potrebbero sintonizzare le lunghezze d’onda emesse dal difetto, il che è importante per le reti quantistiche quando è necessario allineare sistemi quantistici disparati.

Il team ha inoltre sviluppato uno strumento diagnostico per immaginare come i milioni di difetti incorporati nel dispositivo cambiano nello spazio quando viene applicato il campo elettrico.

«Abbiamo scoperto che il modo in cui stiamo modificando l'ambiente elettrico per i difetti ha un profilo spaziale e possiamo immaginarlo direttamente osservando i cambiamenti nell'intensità della luce emessa dai difetti», ha affermato Day. «Utilizzando così tanti emettitori e ottenendo statistiche sulle loro prestazioni, ora abbiamo una buona comprensione di come i difetti rispondono ai cambiamenti nel loro ambiente. Possiamo utilizzare tali informazioni per capire come creare gli ambienti migliori per questi difetti nei dispositivi futuri. Abbiamo una migliore comprensione di ciò che rende questi difetti felici e infelici».

Successivamente, il team mira a utilizzare le stesse tecniche per comprendere i difetti del centro T nel silicio.

La ricerca è stata scritta in collaborazione con Sutula, Jonathan R. Dietz, Alexander Raun di SEAS e gli scienziati ricercatori dell’AWS Denis D. Sukachev e Mihir K. Bhaskar. Questo lavoro è stato supportato da AWS Center for Quantum Networking e Harvard Quantum Initiative. L'Ufficio per lo sviluppo tecnologico di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale associata a questo progetto e sta perseguendo opportunità di commercializzazione.

Riferimenti:

(1) Evelyn Hu

(2) Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS)

(3) Electrical manipulation of telecom color centers in silicon

Descrizione foto: Il dispositivo utilizza un semplice diodo elettrico per manipolare i qubit all'interno di un wafer di silicio commerciale. - Credit: Second Bay Studios/Harvard SEAS.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: A quantum world on a silicon chip