Integrated on-chip quantum light sources on a van der Waals platform

Il sogno di costruire un computer quantistico in grado di risolvere problemi che vanno oltre le capacità delle macchine odierne dipende spesso da una singola, ostinata sfida: come far sì che minuscole particelle di luce, chiamate fotoni, comunichino tra loro su un unico, minuscolo chip. Nel mondo dell'informazione quantistica, questi fotoni agiscono come messaggeri, trasportando dati delicati attraverso i circuiti. Per far sì che ciò funzioni su larga scala, gli scienziati hanno bisogno di una piattaforma in cui le sorgenti luminose che creano i fotoni, i canali che li guidano e i rilevatori che li catturano siano tutti realizzati con materiali compatibili e costruiti insieme in un unico luogo. Per anni, i ricercatori hanno cercato di assemblare questi pezzi utilizzando materiali diversi, come il silicio per i canali e speciali semiconduttori per le sorgenti luminose, ma costringere questi diversi materiali a lavorare insieme è come cercare di incollare il vetro alla gomma; il processo è fragile, complesso e difficile da scalare. Una via più promettente risiede nell'uso di una famiglia di materiali noti come materiali di van der Waals, che sono composti da fogli atomicamente sottili che possono essere impilati come blocchi Lego senza la necessità di legami chimici aggressivi, offrendo un modo più pulito per costruire questi circuiti integrati.

In uno studio recente, i ricercatori della Technical University of Denmark hanno compiuto un passo significativo verso questo obiettivo, costruendo con successo una sorgente di luce quantistica funzionante interamente a partire da questi materiali sottili e impilabili. Hanno creato un dispositivo in cui un tipo specifico di cristallo atomicamente sottile, fatto di diseleniuro di tungsteno, funge da fabbrica di singoli fotoni. Questo cristallo è stato posizionato direttamente sopra una guida d'onda, che è un canale microscopico fatto di un altro cristallo chiamato disolfuro di tungsteno, progettato per catturare la luce e guidarla lungo un percorso. Per far uscire la luce da questo minuscolo canale e farla arrivare a uno strumento di misura, hanno inciso una serie di piccoli anelli concentrici nel canale, che agiscono come un reticolo che diffonde la luce verso l'alto. Il risultato è un sistema completamente integrato dove la luce viene generata, guidata ed estratta, tutto su un singolo chip realizzato con questi materiali bidimensionali.

I ricercatori si sono concentrati su un trucco specifico per rendere la sorgente luminosa più brillante e pulita. Invece di colpire il cristallo con uno spettro ampio di luce, hanno utilizzato un laser molto preciso sintonizzato su un livello di energia specifico, appena al di sotto del punto in cui il materiale normalmente assorbirebbe la luce. Questo metodo, noto come eccitazione a stati discreti, ha permesso loro di innescare l'emissione di singoli fotoni evitando il bagliore di fondo rumoroso che solitamente accompagna altri metodi. Quando hanno testato la luce proveniente dal dispositivo, hanno scoperto che era incredibilmente pura. Nel mondo della fisica quantistica, la purezza è misurata in base a quanto spesso un rilevatore vede due fotoni arrivare esattamente nello stesso momento; per una vera sorgente di singoli fotoni, questo non dovrebbe quasi mai accadere. Il team ha misurato questo valore, trovandolo estremamente vicino allo zero, indicando che il dispositivo emetteva con successo un fotone alla volta con un'altissima affidabilità.

Per dimostrare che la luce stesse effettivamente viaggiando attraverso la guida d'onda e non si stesse semplicemente disperdendo casualmente, i ricercatori hanno allestito un test ingegnoso. Hanno raccolto la luce da entrambe le estremità del canale microscopico simultaneamente. Confrontando i flussi di fotoni che arrivavano a ciascuna estremità, sono riusciti a confermare che la luce veniva guidata efficientemente attraverso il chip. Questa misurazione a due lati ha mostrato che i fotoni venivano divisi tra le due estremità del canale, con un numero significativo di fotoni che raggiungeva i rilevatori. Hanno calcolato che il dispositivo era capace di inviare centinaia di migliaia di singoli fotoni al secondo, un tasso che, quando corretto per le perdite del sistema, suggerisce che la sorgente stia generando milioni di fotoni al secondo all'interno della guida d'onda. Questo livello di luminosità ed efficienza rappresenta un importante miglioramento rispetto ai tentativi precedenti utilizzando materiali simili.

Una parte fondamentale del loro successo è stata il modo in cui hanno impilato i materiali. Hanno posizionato un sottile strato di un materiale chiamato nitruro di boro esagonale tra la sorgente luminosa e la guida d'onda. Questo strato ha agito come uno spaziatore protettivo, impedendo al delicato cristallo emettitore di luce di creparsi quando veniva posizionato sulla guida d'onda, pur permettendo alla luce di accoppiarsi efficientemente nel canale. Senza questo spaziatore, i cristalli tendevano a fratturarsi, rovinando il dispositivo. Il team ha anche scoperto che la luce in uscita era altamente polarizzata, il che significa che le onde luminose vibravano in una direzione specifica, una caratteristica utile per controllare il comportamento della luce nei futuri circuiti.

Lo studio non sostiene di aver risolto tutti i problemi dell'informatica quantistica, ma dimostra che è possibile costruire una sorgente di luce quantistica completa e funzionante utilizzando solo questi versatili materiali sottili. I ricercatori hanno dimostrato che, ingegnerizzando attentamente gli strati e la forma della guida d'onda, potevano superare le solite difficoltà nel far muovere la luce da una sorgente a un canale. Hanno anche escluso l'idea che la luce fosse semplicemente diffusa dalla superficie; le misurazioni hanno confermato che i fotoni viaggiavano attraverso i modi della guida d'onda. Sebbene l'attuale dispositivo sia un prototipo, i risultati suggeriscono una chiara via da seguire. Aggiungendo altri componenti, come rilevatori e filtri realizzati con la stessa famiglia di materiali, gli scienziati potrebbero eventualmente costruire circuiti quantistici complessi che siano più facili da fabbricare e più affidabili rispetto agli attuali sistemi ibridi. Questo lavoro stabilisce che la piattaforma di van der Waals è una base vitale e potente per la prossima generazione di tecnologie quantistiche.