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Oct 28, 2023

Nuovo tutto

Quantum technologies promise to revolutionize society by enabling radically new

Le tecnologie quantistiche promettono di rivoluzionare la società consentendo metodi radicalmente nuovi di comunicazione, rilevamento e calcolo. È un mondo di possibilità che la scienza, per molti versi, ha appena iniziato a delineare.

La crittografia quantistica, se potesse essere realizzata, ad esempio, fornirebbe livelli senza precedenti di sicurezza dei dati contro gli hacker malvagi. Questo perché le informazioni quantistiche possono essere codificate in fotoni – singole particelle di luce – che non possono essere copiate o misurate. Gli intrusi verrebbero smascherati immediatamente.

Uno degli ostacoli più grandi per la crittografia quantistica che gli scienziati devono prima superare, tuttavia, è la capacità di creare fotoni in modi che alimenterebbero in modo affidabile le reti quantistiche, o un’Internet quantistica.

Ora, un team di ricercatori guidati da Boubacar Kanté, professore associato di Chenming Hu presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica dell'UC Berkeley e scienziato della facoltà presso la Divisione di scienze dei materiali del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ha dimostrato il primo sistema on-demand sorgente di luce quantistica che utilizza silicio. Kanté afferma che il silicio – il materiale su cui vengono fabbricati ogni giorno milioni di minuscoli dispositivi elettronici – è il materiale optoelettronico più “scalabile” conosciuto.

La loro ricerca è stata pubblicata oggi su Nature Communications.

"La possibilità di utilizzare il silicio come fonte di luce quantistica significa che gli attuali processi di produzione su larga scala di chip CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) alla base degli odierni dispositivi optoelettronici e di intelligenza artificiale (AI) possono essere utilizzati direttamente per i futuri sistemi quantistici ", ha detto Kanté.

Dalla fine degli anni '70 sono stati dimostrati molti promettenti dispositivi quantistici a emissione di un singolo fotone per la crittografia quantistica. Includono elementi esotici della scienza dei materiali come i punti quantici, i centri di colore nei materiali con ampio gap di banda, cristalli non lineari e celle di vapore atomico.

Nonostante decenni di indagini, tuttavia, non esiste un chiaro vincitore per una sorgente di luce quantistica che possa alimentare un’Internet quantistica.

Un’Internet quantistica su larga scala, ha spiegato Kanté, richiederebbe non solo una sorgente di luce quantistica brillante ed efficiente, ma anche fotoni che possano propagarsi nelle fibre ottiche esistenti senza essere assorbiti. Nessuna sorgente luminosa disponibile oggi può soddisfare questo livello elevato. Tutti richiedono la conversione dell'energia per l'integrazione con piattaforme compatibili CMOS, come accade oggi con le sorgenti luminose "classiche" integrate.

Ma la sfida per l’integrazione dei dispositivi quantistici con le piattaforme compatibili con CMOS è ancora più significativa rispetto a quella dei sistemi classici, ha affermato Kanté. Questo perché ciascuna interfaccia consente perdite di luce quantistica che devono essere ridotte al minimo.

La sorgente di luce quantistica in silicio su richiesta sviluppata dal team dell'UC Berkeley/Berkeley Lab è il primo lavoro sperimentale che dimostra l'integrazione di un singolo centro emissivo atomico di silicio, noto come centro G, direttamente in una cavità nanofotonica di silicio, ha spiegato Kanté.

"In questo lavoro, abbiamo incorporato con successo per la prima volta un difetto atomico nel silicio delle dimensioni di atomi (1 angstrom) in una cavità fotonica di silicio (1 micron) con le dimensioni di meno di un decimo di un capello umano. La cavità costringe l'atomo a essere più luminoso e emette fotoni a una velocità maggiore. Questi sono gli ingredienti necessari per fonti di luce quantistica scalabili per il futuro Internet [quantistico]," ha affermato.

La produzione di successo degli emettitori a fotone singolo prevede una sequenza di fabbricazione controllata, a partire da un wafer di silicio di tipo commerciale su cui viene impiantato il carbonio. L'impianto è seguito da litografia, incisione e ricottura termica, tutti processi standard disponibili nelle odierne fonderie di semiconduttori.

La sfida, ha detto Kanté, risiedeva nella creazione di centri di emissione atomica e nel controllo della loro densità e distribuzione per una sovrapposizione riuscita con le cavità ottiche. Il team ha superato alcune delle sfide principali, ma sono necessari miglioramenti e molte domande devono ancora avere risposta.