Nanotecnologie e materiali bidimensionali miniaturizzano le sorgenti di bit quantistici

L'importanza delle tecnologie quantistiche e il loro impatto sulla ricerca scientifica e sulla società stanno crescendo a un ritmo impressionante. Applicazioni chiave come l'informazione quantistica, il calcolo, la crittografia e la spettroscopia si basano su coppie di fotoni entangled, o qubit. Un approccio efficiente per generare queste coppie di fotoni entangled è l'uso di un laser e di un cristallo nonlineare, per indurre un processo nonlineare noto come spontaneous parametric down-conversion.

Il paradigma della miniaturizzazione e dell'integrazione su chip, che ha dominato il mondo dell'elettronica, si sta ora spostando nel campo della fotonica. Tuttavia, lo spessore macroscopico dei cristalli nonlineari tipicamente utilizzati per generare coppie di fotoni entangled è dell'ordine di alcuni millimetri o addirittura centimetri, limitando lo sviluppo tecnologico e l'integrazione su chip.

Chiara Trovatello, vincitrice del 2024 Optica Foundation Challenge Award, punta a risolvere questa sfida con il suo progetto "Quantum-entangled Photon-pairs On-chip based on Layered Integrated Semiconductors" (q-POLIS). Il premio di 100.000 dollari USA onora idee eccezionali che sfruttano l'ottica e la fotonica per affrontare sfide globali. Le sfide premiate dalla Optica Foundation ispirano nuove scoperte scientifiche di grande impatto con il potenziale di trasformare il nostro mondo. Chiara Trovatello ha ricevuto il premio per affrontare la sfida di realizzare un dispositivo ultracompatto con sorgenti miniaturizzate di fotoni entangled integrate.

q-POLIS implementerà sorgenti di coppie di fotoni entangled basate su materiali bidimensionali nano-ingegnerizzati, come i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD), direttamente su circuiti fotonici universali. I TMD sono materiali stratificati che stanno avendo un impatto trasformativo nel campo dell'ottica nonlineare, grazie alla loro grande nonlinearità ottica che consente efficienze simili a quelle dei cristalli tradizionali, ma all'interno di cristalli spessi pochi micron: mille volte più sottili!

"La produzione di coppie di fotoni entangled direttamente su chip sarà una tecnologia abilitante per i dispositivi fotonici quantistici di nuova generazione. Le sorgenti miniaturizzate di fotoni entangled potrebbero superare un importante limite nel calcolo quantistico fotonico, influenzando il futuro delle operazioni quantistiche sicure, creando nuovi protocolli e tecnologie digitali e consentendo significativi progressi nella velocità di calcolo, con una drastica riduzione della dissipazione di energia." Chiara Trovatello, coordinatrice del progetto.

Chiara Trovatello, Marie Skłodowska-Curie Global Fellow, sta conducendo la sua ricerca tra la Columbia University, come Associate Research Scientist, e il Politecnico di Milano, come Assistant Professor di Fisica. Oltre alla ricerca, Trovatello si spende attivamente per supportare l’Open Science, la ricerca etica e la parità di rappresentazione e di opportunità nelle discipline STEM.