A tunable chiral light–matter interface with on-chip spin control

Nella ricerca di un futuro internet alimentato dalla meccanica quantistica, gli scienziati stanno imparando a sfruttare il comportamento strano della luce e della materia alle scale più piccole. Un'idea chiave in questo campo è la "chiralità", una proprietà in cui un oggetto o un'interazione ha una distinzione tra destra e sinistra, proprio come una mano sinistra non può essere sovrapposta perfettamente a una destra. Nel mondo della luce che viaggia attraverso minuscoli canali, la chiralità significa che la direzione in cui un fotone si muove è legata al suo spin, ovvero al modo in cui ruota mentre viaggia. Se un fotone ruota in un senso, può solo muoversi in avanti; se ruota nell'altro, può solo muoversi all'indietro. Questo traffico a senso unico è incredibilmente prezioso per la costruzione di reti quantistiche, poiché consente di instradare le informazioni senza che vadano perse o rimbalzino indietro interferendo con se stesse. Tuttavia, creare una strada a senso unico perfetta per la luce all'interno di un chip per computer è stato difficile perché i materiali utilizzati spesso lasciano che la luce ruoti in modi imperfetti, causando la fuga di alcuni fotoni nella direzione sbagliata.

Un team di ricercatori ha ora trovato un modo per risolvere questo problema senza la necessità di riprogettare il chip fisico stesso. Invece di cercare di scolpire un percorso perfetto nel materiale, hanno utilizzato un campo magnetico esterno per sintonizzare il comportamento degli atomi emettitori di luce all'interno del chip. Regolando attentamente l'angolo e l'intensità di questo campo magnetico, sono riusciti a costringere la luce a fluire in un'unica direzione scelta con un'efficienza quasi perfetta. Questa svolta trasforma un chip standard e imperfetto in uno strumento altamente preciso per controllare l'informazione quantistica, aprendo una via flessibile verso la costruzione di reti quantistiche su larga scala che possano connettere computer distanti.

I ricercatori hanno lavorato con un dispositivo minuscolo noto come guida a cristalli fotonici, che è essenzialmente un'autostrada microscopica per la luce incisa in un semiconduttore. All'interno di questa autostrada si trova un singolo punto quantico, un frammento di materiale su scala nanometrica che funge da atomo artificiale. Questo punto quantico contiene un eccitone caricamente negativo, uno stato in cui un elettrone e una "lacuna" (l'assenza di un elettrone) sono legati insieme, formando un sistema a quattro livelli che può interagire con la luce. In una configurazione tipica, la luce che viaggia attraverso la guida non è perfettamente polarizzata circolarmente; è leggermente ellittica, il che significa che ruota in un modo che non è perfettamente rotondo. Questa imperfezione di solito causa la fuga della luce in entrambe le direzioni, rovinando l'effetto a senso unico.

Per risolvere questo problema, il team ha applicato un campo magnetico al chip. Hanno scoperto che inclinando il campo magnetico con un angolo obliquo specifico, potevano cambiare il modo in in cui i livelli di energia interna del punto quantico interagiscono con la luce. Questa regolazione permette effettivamente di ruotare l'orientamento dei dipoli emettitori di luce all'interno del punto. Immaginate le parti che emettono luce dell'atomo come piccole antene: il campo magnetico ha permesso agli scienziati di girare queste antenne finché non sono state perfettamente allineate per inviare la luce solo in una direzione lungo la guida, annullando al contempo l'emissione nella direzione opposta. Anche se la guida stessa non era progettata perfettamente per questo compito, la sintonizzazione magnetica ha compensato il difetto. Il risultato è stato un'efficienza di emissione direzionale del 99 percento, con solo una minima frazione di luce che andava nella direzione sbagliata.

Oltre a dirigere semplicemente la luce, i ricercatori hanno dimostrato che questo controllo magnetico può anche sintonizzare il modo in cui il sistema si comporta in modi più complessi. Hanno osservato che il campo magnetico può creare una forte preferenza per un tipo di emissione luminosa rispetto a un altro, una proprietà che chiamano "rapporto di ramificazione chirale". In una specifica configurazione, hanno ottenuto un rapporto in cui un tipo di transizione era 134 volte più probabile rispetto a un altro. Questo è significativo perché consente agli scienziati di controllare non solo dove va la luce, ma anche quale stato interno dell'elettrone è coinvolto nel processo. Questo livello di controllo è essenziale per creare sistemi di "ciclo", in cui un elettrone può essere eccitato ed emettere luce ripetutamente senza cambiare il proprio stato fondamentale, un requisito per leggere e scrivere informazioni quantistiche in modo affidabile.

Il team ha inoltre dimostrato che questa configurazione può essere utilizzata per controllare direttamente lo spin di un elettrone usando la luce che viaggia attraverso la guida. Utilizzando un processo chiamato scattering Raman, in cui due fotoni interagiscono per invertire lo spin di un elettrone, sono stati in grado di ruotare lo stato dell'elettrone con alta precisione. Questo è un passo crucialo per l'informatica quantistica, poiché dimostra che l'informazione può essere manipolata sul chip senza la necessità di cablaggi esterni complessi per ogni singola operazione. Il campo magnetico ha permesso loro di ottimizzare questo processo, assicurando che la luce guidasse i cambiamenti di spin in modo efficiente, minimizzando al contempo il rumore indesiderato o gli errori.

Infine, i ricercatori hanno proposto un metodo per utilizzare questa tecnologia per creare l'entanglement tra due computer quantistici distanti. L'entanglement è un fenomeno in cui due particelle diventano legate in modo che lo stato di una influenzi istantaneamente l'altra, indipendentemente dalla distanza. Il loro protocollo prevede l'invio di luce da due chip separati verso un divisore di fascio centrale. Poiché il campo magnetico assicura che la luce viaggi in una sola direzione con alta efficienza, il sistema può rilevare un singolo fotone e, sulla base di questa rilevazione, confermare che i due spin elettronici distanti siano entrati in entanglement. L'articolo suggerisce che questo metodo è molto più robusto contro la perdita di segnale rispetto agli approcci precedenti, rendendolo un candidato pratico per la costruzione di un vero internet quantistico.

Il lavoro evidenzia un cambiamento nel modo in cui gli scienziati approcciano i dispositivi nanofotonici. Piuttosto che cercare di costruire una struttura perfetta e statica che è difficile da fabbricare, stanno utilizzando campi magnetici per riconfigurare dinamicamente le proprietà del dispositivo. Questo approccio significa che i chip standard e imperfetti possono essere aggiornati per operare ai massimi livelli di precisione semplicemente regolando una manopola esterna. Le scoperte forniscono uno strumento versatile per migliorare il modo in cui la luce e la materia interagiscono su un chip, offrendo una via chiara e riconfigurabile per costruire le complesse reti quantistiche necessarie per il futuro.