Electrically tunable, two-photon interference from remote silicon-vacancy centers in industrial silicon carbide
Questo studio dimostra che i centri di vacanza del silicio in diodi p-i-n di carburo di silicio di grado industriale fungono da piattaforma scalabile e spectralmente stabile per reti quantistiche distribuite, raggiungendo un'interferenza a due fotoni ad alta visibilità tra nodi remoti nell'arco di un periodo di 26 giorni con una manutenzione minima.
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Il sogno di una internet quantistica si basa su un principio semplice ma esigente: per collegare computer distanti tra loro, essi devono essere in grado di scambiare informazioni utilizzando singole particelle di luce. Affinché questo scambio funzioni, le particelle di luce inviate da una posizione devono essere perfettamente identiche a quelle inviate da un'altra, come se fossero gemelli separati alla nascita. Se le particelle differiscono anche solo leggermente nel colore o nella temporizzazione, non possono fondersi per creare l'entanglement necessario per una comunicazione sicura o per il calcolo distribuito. La sfida consiste nel creare queste particelle identiche partendo da materiali solidi che possano essere prodotti in serie. Sebbene la natura offra alcuni emettitori perfetti, essi sono rari e difficili da controllare. Gli scienziati cercano da tempo un modo per prendere un materiale comune, di uso industriale, e ingegnerizzarlo per emettere luce con la precisione richiesta per queste delicate connessioni quantistiche, assicurando che la luce rimanga stabile per lunghi periodi piuttosto che solo per un momento fugace.
In un esperimento recente, i ricercatori hanno dimostrato di poter raggiungere questa stabilità utilizzando un comune semiconduttore industriale noto come carburo di silicio. All'interno di questo materiale, hanno identificato minuscoli difetti chiamati centri di vacanza del silicio, che agiscono come sorgenti di luce singole. Il team ha inserito questi difetti all'interno di strutture elettroniche specializzate chiamate diodi p-i-n, che permettono di controllare le proprietà della luce tramite l'elettricità. Applicando una tensione specifica, sono riusciti a sintonizzare il colore della luce emessa da ciascun difetto per farlo corrispondere a un obiettivo preciso. Hanno testato questo metodo su diciannove diverse sorgenti luminose situate in due campioni separati. Senza la necessità di selezionare preventivamente le migliori, sono riusciti ad aggiustare la tensione per ciascuna sorgente finché tutte e diciannove non hanno emesso luce alla stessa identica frequenza. Inoltre, il controllo elettrico ha ristretto la dispersione del colore della luce, rendendo l'emissione estremamente pura e costante.
I ricercatori hanno poi preso due di queste sorgenti luminose sintonizzate e le hanno collocate in camere criogeniche separate, mantenendole a una temperatura di quattro Kelvin, che è appena sopra lo zero assoluto. Queste camere erano posizionate a due metri di distanza, simulando la distanza tra i nodi di una futura rete. Hanno guidato la luce da entrambe le sorgenti verso un punto centrale dove i fasci si sovrapponevano. Quando le particelle di luce dalle due posizioni separate si sono incontrate, sono interferite tra loro in un modo che ha provato la loro indistinguibilità. L'esperimento ha mostrato un alto grado di sovrapposizione, con le onde luminose che si corrispondevano con una visibilità dell'82 percento. Questo livello di accordo è considerato all'avanguardia per i sistemi allo stato solido remoti e conferma che la luce proveniente da queste due sorgenti distanti è effettivamente identica.
Una parte critica dello studio non è stata solo ottenere questo accordo una volta, ma mantenerlo nel tempo. Le reti quantistiche richiedono sistemi che possano operare per giorni o settimane senza continui aggiustamenti manuali. Il team ha eseguito l'esperimento continuamente per 26 giorni, accumulando oltre 600 ore di dati. Durante questo periodo, le sorgenti luminose hanno subito naturalmente una deriva nella frequenza a causa di minuscole fluttuazioni nel loro ambiente. Tuttavia, il sistema di controllo elettrico ha agito come un stabilizzatore automatico. Ogni due ore, il sistema controllava il colore della luce e apportava piccoli aggiustamenti alla tensione per riportarlo al valore target. Questo ciclo di feedback è stato così efficace che i ricercatori hanno dovuto intervenire per resettare il sistema ogni 8,4 ore in media per una sorgente e ogni 19,4 ore per l'altra. Questa stabilità a lungo termine è un passo avanti significativo, poiché riduce l'overhead e la complessità necessari per mantenere in funzione una rete quantistica.
I risultati suggeriscono che i centri di vacanza del silicio in carburo di silicio industriale sono un elemento costruttivo valido e scalabile per le reti quantistiche distribuite. Combinando la capacità di sintonizzare elettricamente la luce su una frequenza comune con la capacità di mantenere tale frequenza per molti giorni, i ricercatori hanno affrontato due grandi ostacoli nel settore. Hanno dimostrato che è possibile creare fotoni di alta qualità e indistinguibili da dispositivi fabbricati indipendentemente, senza doverli selezionare da un numero esiguo di esemplari rari. Il lavoro dimostra che questi sistemi allo stato solido possono essere integrati in componenti elettroniche standard e operati da remoto, offrendo una via pratica verso l'implementazione su larga scala delle tecnologie quantistiche.
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