Filter-Free Indistinguishable Photon Generation from Continuous-Wave-Driven Integrated Microresonators
Questo articolo dimostra che, ottimizzando le finestre temporali dei rilevatori anziché affidarsi al filtraggio spettrale, i microrisuonatori in nitruro di silicio ad alto Q guidati da onda continua possono generare coppie di fotoni privi di filtri, altamente indistinguibili, con visibilità ed efficienza prossime all'unità, stabilendoli come una piattaforma scalabile per le reti quantistiche.
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Nella ricerca di un modo per costruire un internet quantistico, gli scienziati stanno cercando un modo per inviare informazioni utilizzando singole particelle di luce, note come fotoni. Queste particelle agiscono come vettori di dati che sono notevolmente resistenti al rumore ambientale che di solito interrompe gli stati quantistici delicati. Affinché questa rete possa funzionare, le diverse parti del sistema devono essere in grado di comunicare tra loro, il che richiede l'invio di fotoni da sorgenti separate che siano perfettamente identiche in ogni modo. Se due fotoni arrivano a una giunzione e sono indistinguibili, interferiscono tra loro in un modo specifico e prevedibile che permette di eseguire operazioni quantistiche complesse. Tuttavia, creare questi gemelli perfetti è difficile. Un metodo comune prevede l'uso di un flusso continuo di luce laser per stimolare una minuscola struttura a forma di anello fatta di nitruro di silicio, che poi divide l'energia del laser in coppie di fotoni. Sebbene questo approccio sia efficiente e facile da integrare su un chip per computer, una teoria di lunga data suggeriva che i fotoni prodotti in questo modo avrebbero sempre portato una "impronta digitale" nascosta che li lega al loro partner, rendendoli impossibili da distinguere l'uno dall'altro quando arrivano a un rilevatore. Ciò li renderebbe inutili per la precisa interferenza necessaria in una rete quantistica.
Un team di ricercatori ha ora dimostrato che questo limite teorico non è un muro invalicabile, ma piuttosto un malinteso su come funziona il processo di rilevamento. Calcolando attentamente il tempo in cui si cercano i fotoni, hanno trovato un modo per cancellare il legame nascosto che rende i fotoni diversi tra loro. Gli scienziati hanno costruito un microchip contenente due di questi minuscoli risonatori ad anello e li hanno pompati con un laser continuo e costante. Invece di cercare di filtrare la luce per rimuovere le frequenze indesiderate — un processo che spreca la maggior parte dei fotoni — si sono concentrati sulla temporizzazione del rilevamento. Hanno scoperto che restringendo la finestra temporale in cui accettavano un segnale da un fotone della coppia, potevano effettivamente selezionare solo le versioni più perfette e indistinguibili dell'altro fotone. Questa tecnica, che si basa sulla temporizzazione naturale dei fotoni piuttosto che su una complessa ingegneria della sorgente luminosa stessa, ha permesso loro di generare coppie di fotoni quasi identici.
I ricercatori hanno testato questo inviando i fotoni dalle loro due sorgenti indipendenti in un divisore di fascio sul chip. Quando due fotoni identici si incontrano in tale divisore, escono sempre insieme attraverso lo stesso percorso, un fenomeno che funge da test definitivo della loro indistinguibilità. Il team ha misurato quanto spesso accadeva e ha scoperto che i loro fotoni si comportavano in modo identico con una visibilità di 0,992, il che significa che erano indistinguibili per il 99,2 percento delle volte. Questo risultato è stato raggiunto senza alcuna sottrazione del fondo o complessi aggiustamenti alla sorgente luminosa, dimostrando che i fotoni erano naturalmente di alta qualità se osservati attraverso la giusta lente temporale. Inoltre, regolando le finestre di rilevamento in modo indipendente per i due tipi di fotoni, sono riusciti a mantenere questo alto livello di somiglianza pur catturando anche un numero significativo di eventi riusciti, raggiungendo un tasso di 4,5 eventi a quattro fotoni riusciti al secondo in una configurazione e 12,2 in un'altra.
Questo lavoro mette in discussione la precedente ipotesi secondo cui i laser a onda continua producono inevitabilmente fotoni con troppa correlazione per essere utili. Lo studio mostra che la purezza dei fotoni non è determinata esclusivamente dalla sorgente, ma è anche modellata dal modo e dal momento in cui il rilevatore li osserva. Utilizzando una piattaforma di nitruro di silicio di alta qualità, il team ha creato un sistema che è allo stesso tempo robusto e scalabile, evitando la necessità di costosi laser pulsati o intricati meccanismi di sintonizzazione termica che complicano altri design. Le scoperte suggeriscono che i microrisonatori pilotati da onde continue sono una base vitale e pratica per costruire le grandi reti quantistiche del futuro, offrendo una via per generare i fotoni indistinguibili richiesti per la teletrasporto quantistico e lo scambio di entanglement senza sacrificare l'efficienza.
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