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H2020

NAMESTRANSIS — Risultato in breve

Project ID: 707364
Finanziato nell'ambito di: H2020-EU.1.3.2.
Paese: Paesi Bassi
Dominio: Ricerca di base, Tecnologie industriali, Economia digitale

Un dispositivo su scala nanometrica che accoppia luce e movimento meccanico ha un potenziale di calcolo quantico

Scienziati finanziati dall’UE hanno sviluppato un dispositivo optomeccanico su scala nanometrica basato su silicio che permette un forte accoppiamento tra il movimento meccanico e la luce. Immaginano di utilizzarlo come trasduttore quantico tra bit quantici legati allo spin e la luce, una prospettiva che potrebbe far progredire in modo significativo l’obiettivo dei computer quantistici basati sul silicio.
Un dispositivo su scala nanometrica che accoppia luce e movimento meccanico ha un potenziale di calcolo quantico
La manipolazione degli effetti quantistici nei materiali sta diventando più potente portando a dispositivi tecnologici con prestazioni e capacità significativamente superiori. Gli elettroni legati ai donatori nel silicio hanno recentemente dimostrato di avere fra i tempi di coerenza quantica più lunghi. In particolare, gli atomi di impurità di fosforo nel silicio sono fra gli atomi più ampiamente studiati che mantengono la loro coerenza di spin, ovvero il tempo necessario per la distruzione dello stato quantico da parte dell’ambiente.

Informazioni di spin convertite in segnali luminosi

Per costruire un computer quantistico funzionale, è necessario controllare un gran numero di qubit e leggere e comunicare efficacemente gli stati del qubit. Piccole strutture optomeccaniche potrebbero diventare un aspetto critico del progresso dell’informazione quantistica nel prossimo futuro. «I risonatori optomeccanici su scala nanometrica possono servire come eccellenti trasduttori quantici tra sistemi diversi, quali microonde e luce, o qubit e luce, ovvero agire come un condotto di informazioni quantiche tra questi sistemi distinti», osserva il dott. Juha Muhonen, finanziatore di NAMESTRANSIS, un progetto di azione Marie Skłodowska-Curie.

La motivazione principale era creare un dispositivo optomeccanico a base di silicio che potesse consentire l’accoppiamento dello spin elettronico nel moto quantizzato di un risonatore optomeccanico su scala nanometrica, in cui il movimento di questa piccola struttura è a sua volta accoppiato a fotoni ottici. «Incorporare atomi di impurità al fosforo in un wafer di silicio e quindi codificare le informazioni nello spin degli elettroni associati può servire per memorizzare le informazioni quantiche», spiega il dott. Muhonen. «Le forti interazioni di accoppiamento tra il movimento meccanico del risonatore e la luce potrebbero quindi essere responsabili della lettura e della comunicazione delle informazioni quantiche», aggiunge.

Prestazioni senza precedenti

Il team del progetto ha studiato un tipo speciale di risonatore optomeccanico, una «cavità nanobeam a cristalli fotonici tagliati», che mostrava la conversione di piccoli spostamenti vibrazionali alla luce con una forza senza precedenti.

Il lavoro del progetto è stato quindi non solo teoricamente e praticamente impegnativo, ma anche gratificante. «Abbiamo notato che il nostro dispositivo optomeccanico si comportava in modi nuovi che non corrispondevano ai modelli analitici attualmente utilizzati. Questo forte accoppiamento optomeccanico è stato attribuito al fatto che la cavità può confinare la luce a scale molto più piccole della lunghezza d’onda ottica. Il sistema ha dimostrato effetti non lineari che hanno avuto un impatto pronunciato sulla risposta ottica, sulla misura dello spostamento meccanico e sulla pressione radioattiva», sottolinea il prof. Verhagen, il responsabile del gruppo che ha eseguito il progetto.

Il team del progetto ha dimostrato un nuovo metodo di misurazione del movimento del risonatore basato su impulsi di luce veloci. «L’utilizzo di impulsi di luce molto veloci consente alle misurazioni di essere “Back-Action-Evading” e apre la possibilità di testare la natura quantistica del movimento meccanico creando stati meccanici non classici», spiega il dott. Muhonen. Oltre a ciò, impulsi di luce veloci possono aiutare a rendere i dispositivi di rilevamento quantico ancora più sensibili, o potrebbero essere utilizzati per una lettura degli spin rapida e accurata nel futuro trasduttore quantico.

La lettura ottica e la comunicazione degli stati di spin nel silicio nonché la creazione di stati meccanici non classici sono entrambi obiettivi a lungo termine dei ricercatori coinvolti. Il progetto ha dimostrato con successo come il nuovo dispositivo nanoscala basato su silicio può misurare piccoli movimenti meccanici con elevata precisione e ha un alto potenziale per far avanzare entrambi questi obiettivi.

Oltre alle informazioni quantistiche, le applicazioni includono anche sensori di forza, sensori di gas e accelerometri.

Keywords

NAMESTRANSIS, silicio, informazioni quantistiche, qubit, accoppiamento, spin elettronico, risonatore optomeccanico, movimento nanomeccanico, calcolo quantistico, impurità del fosforo, rilevamento quantico