Ottica quantistica su circuito integrato
I fotoni offrono un modo promettente per sfruttare fenomeni quantistici poiché non soffrono di forte accoppiamento con il mondo esterno. I quanti di luce beneficiano inoltre di molti gradi di libertà (frequenza, quantità di moto, momento di spin e angolare orbitale) su cui è possibile implementare, elaborare e valutare bit quantistici con relativa semplicità. Data la vasta letteratura che ha dimostrato come domare i fotoni, i ricercatori hanno iniziato a lavorare sulla promozione di sistemi di ottica quantistica verso una piattaforma fotonica scalabile. Lo scopo del progetto QUANPHOCHIP (Quantum photonic chip), finanziato dall’UE, è stato quello di integrare sistemi ottici quantistici come le guide d’onda e gli accoppiatori direzionali, al fine di manipolare i qubit fotonici su un chip a stato solido. I chip a base di silicio erano la scelta naturale per una serie di motivi. In primo luogo, i dispositivi fotonici in silicio possono essere costruiti utilizzando tecniche di circuiti commerciali consolidate per semiconduttori metallo-ossidi complementari (CMOS). In secondo luogo, l’integrazione con microelettronica basata su CMOS permette di aggiungere driver ed elettronica di controllo sullo stesso chip, riducendo notevolmente la complessità del confezionamento così come il costo. Inoltre, la compatibilità del silicio con i materiali esotici (superconduttori, per esempio) consente l’integrazione di rivelatori di singoli fotoni sul chip, permettendo l’interazione non lineare indotta da misurazione tra singoli fotoni. Il team QUANPHOCHIP ha utilizzato la fotonica basata sul silicio per dimostrare misurazioni senza interazione su un chip, cosa già svolta in precedenza, sull’ottica tradizionale. È stata utilizzata la capacità di un singolo fotone di dimostrare proprietà relative sia a onde che a particelle. In una misurazione priva di interazione, può assumere uno dei due distinti percorsi o entrambi, in un interferometro. Se un oggetto è posto su un percorso, le particelle quantistiche sceglieranno un percorso diverso per evitare interazioni. Per realizzare tale idea, i ricercatori hanno fabbricato con cura degli accoppiatori direzionali con adeguati rapporti di scissione per il funzionamento come interferometri. Il dispositivo si avvale della dualità onda-particella riconoscendo quando un percorso viene evitato e rilevando la presenza dell’oggetto. Tale interferenza multipercorso può essere riconosciuta con visibilità superiore al 98 %. Prima del termine relativo al progetto QUANPHOCHIP, i ricercatori hanno inoltre combinato con successo l’interferenza quantistica con il rilevamento di singoli fotoni su un chip di silicio. Dei chip come questi, che contengono elementi di generazione, manipolazione e individuazione di singoli fotoni, potranno realizzare la promessa di accelerare in modo esponenziale determinate classi di calcoli.
Parole chiave
Ottica quantistica, computer quantistico, fotoni, QUANPHOCHIP, circuito integrato a stato solido
