Periodically poled thin-film lithium niobate ring Mach Zehnder coupling interferometer as an efficient quantum source of light
Questo articolo propone un interferometro Mach-Zehnder ad anello simmetrico che utilizza una guida d'onda in niobato di litio a polarizzazione periodica la quale, compatibile con le attuali tecnologie di fabbricazione, genera efficientemente luce compressa sintonizzabile superiore a -12 dB e singoli fotoni ad alta purezza con efficienza di heralding prossima all'unità utilizzando potenze di pompa sub-milliwatt.
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Nella ricerca di un nuovo tipo di computer che operi secondo le leggi della meccanica quantistica, gli scienziati si stanno rivolgendo alla luce. A differenza dei computer tradizionali che utilizzano interruttori elettrici per elaborare le informazioni, queste macchine future si affidano a singole particelle di luce, chiamate fotoni, per eseguire calcoli e trasmettere dati. Affinché questa visione diventi realtà, gli ingegneri hanno bisogno di due tipi molto specifici di sorgenti luminose. La prima è una macchina in grado di emettere singoli fotoni su richiesta, uno alla volta, con una tempistica perfetta e senza rumore superfluo. La seconda è una sorgente che produca luce "squeezed" (schiacciata), uno stato speciale in cui l'incertezza delle proprietà della luce è ridotta al di sotto del limite normale, una caratteristica essenziale per un altro ramo dell'informatica quantistica e della sensoristica ultra-sensibile. La sfida consiste nel creare un singolo dispositivo in grado di fare entrambe le cose in modo efficiente, con basso consumo di potenza e in un formato abbastanza piccolo da poter essere inserito in un chip per computer.
Un team di ricercatori dei Nokia Bell Labs ha proposto un design che soddisfa questi rigorosi requisiti combinando due concetti ottici classici in una singola struttura sintonizzabile. Descrivono un dispositivo costruito da un sottile film di niobato di litio, un cristallo noto per la sua capacità di manipolare la luce, modellato in un risonatore ad anello. Questo anello è collegato a un interferometro di Mach-Zehnder, una configurazione che divide la luce in due percorsi e poi la ricombina. L'innovazione chiave risiede nel modo in cui i ricercatori utilizzano il calore per controllare il dispositivo. Posizionando piccoli riscaldatori sul chip, possono regolare con precisione la temperatura dei percorsi della luce senza dover alterare fisicamente la struttura del chip. Questa flessibilità è fondamentale perché permette loro di ottimizzare il dispositivo per due compiti molto diversi: generare luce squeezed e generare singoli fotoni.
Quando i ricercatori hanno simulato il comportamento di questo dispositivo, hanno scoperto che poteva agire come un motore altamente efficiente per la generazione di luce squeezed. Alimentando il dispositivo con un raggio laser a una specifica lunghezza d'onda, hanno dimostrato che l'anello poteva produrre uno stato di luce in cui il rumore in una proprietà è soppresso. I loro calcoli indicano che, con una quantità di potenza di pompaggio molto bassa, inferiore a un milliwatt, il dispositivo potrebbe raggiungere un livello di squeezing di meno 12 decibel. Questo è un risultato significativo perché i tentativi precedenti di creare tale luce su un chip richiedevano spesso molta più potenza o risultavano in una qualità inferiore. Inoltre, il design permette loro di sintonizzare il dispositivo per raggiungere livelli di squeezing ancora più elevati, fino a meno 19 decibel, se sono disposti a utilizzare un po' più di potenza. La capacità di farlo con un consumo energetico così basso è vitale, poiché significa che il dispositivo potrebbe potenzialmente essere alimentato da piccoli laser su chip piuttosto che da ingombranti apparecchiature esterne.
Lo stesso dispositivo si è dimostrato capace anche di generare singoli fotoni, che sono i mattoni fondamentali per l'informatica quantistica ottica lineare. Per farlo, i ricercatori hanno simulato un processo in cui un fotone dal fascio di pompaggio si divide in una coppia di fotoni all'interno dell'anello. Uno di questi fotoni funge da segnale, mentre l'altro funge da precursore (herald), annunciando che il fotone segnale è stato creato. Il team ha scoperto che, regolando attentamente la temperatura dell'interferometro, potevano garantire che l'efficienza di precursione — la probabilità che un fotone precursore esista effettivamente — raggiungesse il 94-99%. Questa alta efficienza è necessaria per garantire che il computer quantistico non perda tempo aspettando fotoni che non arrivano mai. Tuttavia, un problema comune in tali sistemi è che i fotoni sono spesso "impuri", ovvero sono intrecciati con altre proprietà in un modo che ne rovina l'utilità per calcoli complessi.
Per risolvere il problema della purezza, i ricercatori hanno proposto una modifica intelligente al modo in cui pompano il dispositivo. Invece di utilizzare un singolo impulso continuo di luce, hanno simulato l'uso di due brevi impulsi separati da una frazione infinitesimale di secondo. Questo approccio a doppio impulso ha permesso loro di rompere le connessioni indesiderate tra i fotoni, ottenendo una purezza fino al 99% pur mantenendo l'alta efficienza di precursione. Sebbene questo metodo inizialmente sembrasse ridurre la velocità con cui i fotoni vengono generati, i ricercatori hanno osservato che tale perdita può essere facilmente recuperata semplicemente aumentando la potenza di picco degli impulsi di pompaggio. Le simulazioni suggeriscono che, con un tasso di ripetizione e una durata dell'impulso standard, un modesto aumento di potenza potrebbe ripristinare la velocità di generazione a livelli comparabili a quelli dei metodi meno puri.
Il design proposto si basa interamente su materiali e tecniche di fabbricazione già disponibili oggi. L'uso di niobato di litio a film sottile e di riscaldatori termici standard significa che questo dispositivo potrebbe essere fabbricato utilizzando processi industriali esistenti, rendendolo un passo pratico avanti piuttosto che una curiosità teorica. Dimostrando che un singolo risonatore ad anello sintonizzabile può produrre sia luce squeezed di alta qualità che singoli fotoni puri, i ricercatori hanno offerto una soluzione generalizzata per le due necessità più critiche nell'informatica quantistica fotonica. Il loro lavoro suggerisce che la strada verso computer quantistici scalabili potrebbe non richiedere materiali completamente nuovi o imprese ingegneristiche impossibili, ma piuttosto il controllo intelligente e preciso della luce all'interno di un chip che è già alla nostra portata.
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