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Superfici nanostrutturate per futuri chip per computer quantistici

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Credito: CC0 Pubblico Dominio

I computer quantistici sono una delle tecnologie chiave del futuro del 21st secolo. I ricercatori della Paderborn University, in collaborazione con il professor Thomas Zentgraf e in collaborazione con i colleghi della Australian National University e della Singapore University of Technology and Design, hanno sviluppato una nuova tecnologia per manipolare la luce che può essere utilizzata come base per futuri computer quantistici ottici. I risultati sono stati ora pubblicati in Fotonica della natura.

Nuovi elementi ottici per manipolare la luce consentiranno applicazioni più avanzate nella moderna tecnologia dell’informazione, in particolare nei computer quantistici. Tuttavia, una delle principali sfide che rimane è la propagazione della luce non reciproca attraverso superfici nanostrutturate, dove queste superfici sono state manipolate su piccola scala.

Il professor Thomas Zentgraf, capo del gruppo di lavoro per la nanofotonica ultraveloce dell’Università di Paderborn, spiega che “nella propagazione reciproca, la luce può seguire lo stesso percorso avanti e indietro attraverso una struttura; tuttavia, la propagazione non reciproca è paragonabile a una strada a senso unico dove può diffondersi solo in una direzione”.

La non reciprocità è una caratteristica speciale nell’ottica che fa sì che la luce produca diverse caratteristiche del materiale quando la sua direzione è invertita. Un esempio potrebbe essere una finestra di vetro che è trasparente da un lato e lascia passare la luce, ma che funge da specchio dall’altro lato e riflette la luce. Questo è noto come dualità. “Nel campo della fotonica, una tale dualità può essere molto utile nello sviluppo di elementi ottici innovativi per manipolare la luce”, afferma Zentgraf.

In un’attuale collaborazione tra il suo gruppo di lavoro della Paderborn University e ricercatori dell’Australian National University e della Singapore University of Technology and Design, la propagazione della luce non reciproca è stata combinata con una conversione di frequenza della luce laser, in altre parole un cambiamento nella frequenza e così anche il colore della luce.

“Abbiamo utilizzato la conversione di frequenza nelle strutture appositamente progettate, con dimensioni nell’intervallo di alcune centinaia di nanometri, per convertire la luce infrarossa, invisibile all’occhio umano, in luce visibile”, spiega il dott. Sergey Kruk, Marie Curie Fellow nel gruppo di Zentgraf. Gli esperimenti mostrano che questo processo di conversione avviene solo in una direzione di illuminazione per la superficie nanostrutturata, mentre è completamente soppresso nella direzione di illuminazione opposta.

Questa dualità nelle caratteristiche di conversione della frequenza è stata utilizzata per codificare le immagini in una superficie altrimenti trasparente. “Abbiamo disposto le varie nanostrutture in modo tale da produrre un’immagine diversa a seconda che la superficie del campione sia illuminata dalla parte anteriore o posteriore”, afferma Zentgraf, aggiungendo: “Le immagini sono diventate visibili solo quando abbiamo utilizzato la luce laser a infrarossi per l’illuminazione.”

Nei loro primi esperimenti, l’intensità della luce convertita in frequenza all’interno della gamma visibile era ancora molto piccola. Il passo successivo, quindi, è migliorare ulteriormente l’efficienza in modo che sia necessaria meno luce infrarossa per la conversione di frequenza. In futuri circuiti otticamente integrati, il controllo della direzione per la conversione di frequenza potrebbe essere utilizzato per commutare la luce direttamente con una luce diversa o per produrre condizioni fotoniche specifiche per calcoli quantistici direttamente su un piccolo chip. “Forse vedremo un’applicazione nei futuri computer quantistici ottici in cui la produzione diretta di singoli fotoni utilizzando la conversione di frequenza gioca un ruolo importante”, afferma Zentgraf.


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