Controllable interaction between photons and distant spins via vacuum Rabi oscillations
Questo articolo dimostra il trasferimento controllabile di energia tra due qubit di spin elettronico distanti tramite una cavità superconduttrice, mediante l'ingegnerizzazione di molteplici oscillazioni di Rabi nel vuoto, stabilendo così un elemento fondamentale per l'interfacciamento di qubit di spin semiconduttori con collegamenti fotonici.
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Immaginate l'universo come una gigantesca pista da ballo invisibile dove l'energia è la musica. Nel mondo della fisica quantistica, la danza più eccitante avviene quando due partner molto diversi si incontrano: uno "spin", che è come un minuscolo magnete rotante all'interno di un atomo, e un "fotone", che è un singolo pacchetto di luce. Di solito, questi due non si parlano molto. Ma se intrappolate la luce in una scatola speciale (una cavità) e fate sì che lo spin e la luce vibrino esattamente alla stessa velocità, possono iniziare uno scambio ritmico e perfetto. Scambiano energia avanti e indietro, come due bambini su un'altalena che si spingono a vicenda sempre più in alto. Questo è chiamato "oscillazione di Rabi nel vuoto". Gli scienziati ci tengono perché è l'estrema stretta di mano tra materia e luce. Se riusciremo a padroneggiare questa danza, potremmo costruire una "internet quantistica" dove le informazioni volano tra i computer sotto forma di luce, connettendo piccoli processori distanti tra loro, proprio come spedire una lettera per posta ma alla velocità della luce.
In questo nuovo studio, i ricercatori dell'Università di Tecnologia di Delft e di QuTech hanno deciso di vedere se potevano far accadere questa danza tra due partner distanti utilizzando un setup molto specifico. Hanno costruito un piccolo dispositivo fatto di silicio e metallo superconduttore, caratterizzato da due "doppi punti quantici" (che sono essenzialmente minuscole gabbie che contengono singoli elettroni) posizionati a 250 micrometri di distanza — circa la larghezza di un capello umano. Queste gabbie sono collegate da un filo superconduttore che funge da autostrada per i fotoni a microonde. L'obiettivo del team era vedere se potevano prendere un'unità di energia da un singolo spin elettronico, trasformarla in un fotone, inviarla lungo il filo e poi far sì che il secondo elettrone la catturasse e la trasformasse nuovamente in energia.
I ricercatori hanno scoperto che potevano effettivamente farlo accadere. Calibrando attentamente gli impulsi di tensione, sono stati in grado di accendere e spegnere il sistema, permettendo al primo elettrone di "danzare" con la cavità a microonde. Hanno osservato lo scambio di energia avanti e indietro più volte, confermando che lo spin e il fotone erano strettamente accoppiati. La danza era così forte che potevano fermarla esattamente a metà, intrappolando efficacemente l'energia come un singolo fotone all'interno della cavità. Poi, hanno lasciato che il secondo elettrone si unisse alla danza. Proprio come previsto, il secondo elettrone ha catturato il fotone e ne ha assorbito l'energia, completando il trasferimento da uno spin distante all'altro.
Per dimostrare che l'energia fosse davvero un singolo fotone e non solo una nuvola sfocata di energia, il team ha eseguito un trucco astuto. Sono partiti con due elettroni eccitati e ne hanno scambiato uno nella cavità, lasciando la cavità con esattamente un fotone. Quando hanno lasciato che il secondo elettrone danzasse con questa cavità "piena", il ritmo dello scambio è accelerato. Questa accelerazione è una firma nota della presenza di un singolo fotone, confermando che avevano creato con successo uno "stato di Fock", ovvero uno stato con un numero preciso di particelle. Il team ha misurato questa accelerazione e ha calcolato che la cavità conteneva in media circa 0,65 o 0,69 fotoni durante questi test, un valore vicino al singolo fotone ideale, anche se non perfetto.
L'articolo nota anche che, sebbene la danza sia stata un successo, non è stata perfettamente fluida. Gli elettroni hanno perso il ritmo un po' più velocemente di quanto gli scienziati vedano solitamente nei chip di silicio, probabilmente a causa di un rumore elettrico invisibile sullo sfondo. Tuttavia, il fatto che siano riusciti a vedere più round di oscillazione nonostante questo rumore è un passo avanti significativo. I ricercatori suggeriscono che, con materiali più puliti e una migliore ingegneria in futuri dispositivi, questo metodo potrebbe diventare un modo affidabile per collegare insieme i computer quantistici, trasformando questi minuscoli spin di silicio nei nodi di una massiccia rete alla velocità della luce.
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