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Un dispositivo sottile innesca uno dei fenomeni più strani e utili della meccanica quantistica

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La luce laser verde illumina una metasuperficie cento volte più sottile della carta, che è stata fabbricata presso il Center for Integrated Nanotechnologies. CINT è gestito congiuntamente dai laboratori nazionali Sandia e Los Alamos per il Department of Energy Office of Science. Credito: Craig Fritz

Un’invenzione ultrasottile potrebbe rendere le future tecnologie di calcolo, rilevamento e crittografia notevolmente più piccole e potenti aiutando gli scienziati a controllare uno strano ma utile fenomeno della meccanica quantistica, secondo una nuova ricerca recentemente pubblicata sulla rivista Scienza.

Gli scienziati dei Sandia National Laboratories e del Max Planck Institute for the Science of Light hanno riferito di un dispositivo che potrebbe sostituire una stanza piena di apparecchiature per collegare i fotoni in un bizzarro effetto quantistico chiamato entanglement. Questo dispositivo, una specie di materiale nanotecnologico chiamato metasuperficie, apre la strada all’entanglement dei fotoni in modi complessi che non sono stati possibili con le tecnologie compatte.

Quando gli scienziati dicono che i fotoni sono entangled, significano che sono collegati in modo tale che le azioni su uno influiscano sull’altro, non importa dove o quanto distanti siano i fotoni nell’universo. È un effetto della meccanica quantistica, le leggi della fisica che governano le particelle e altre minuscole cose.

Sebbene il fenomeno possa sembrare strano, gli scienziati lo hanno sfruttato per elaborare le informazioni in modi nuovi. Ad esempio, l’entanglement aiuta a proteggere le informazioni quantistiche delicate e a correggere gli errori nell’informatica quantistica, un campo che un giorno potrebbe avere un impatto enorme sulla sicurezza nazionale, sulla scienza e sulla finanza. Entanglement consente inoltre nuovi metodi di crittografia avanzati per comunicazioni sicure.

La ricerca per l’innovativo dispositivo, che è cento volte più sottile di un foglio di carta, è stata condotta, in parte, presso il Center for Integrated Nanotechnologies, una struttura per l’utenza del Department of Energy Office of Science gestita dai laboratori nazionali Sandia e Los Alamos. Il team di Sandia ha ricevuto finanziamenti dall’Office of Science, programma Basic Energy Sciences.

La luce entra, i fotoni entangled escono

La nuova metasuperficie funge da porta a questo insolito fenomeno quantistico. In un certo senso, è come lo specchio in “Through the Looking-Glass” di Lewis Carrol, attraverso il quale la giovane protagonista Alice vive un mondo strano e nuovo.

Invece di camminare attraverso il loro nuovo dispositivo, gli scienziati lo attraversano con un laser. Il raggio di luce passa attraverso un campione ultrasottile di vetro ricoperto da strutture su scala nanometrica fatte di un comune materiale semiconduttore chiamato arseniuro di gallio.

“Confonde tutti i campi ottici”, ha affermato Igal Brener, scienziato senior di Sandia, esperto in un campo chiamato ottica non lineare che ha guidato il team di Sandia. Occasionalmente, ha detto, una coppia di fotoni entangled a diverse lunghezze d’onda emergono dal campione nella stessa direzione del raggio laser in arrivo.

Brener ha detto di essere entusiasta di questo dispositivo perché è progettato per produrre reti complesse di fotoni entangled, non solo una coppia alla volta, ma diverse coppie tutte intrecciate insieme e alcune che possono essere indistinguibili l’una dall’altra. Alcune tecnologie necessitano di queste complesse varietà di cosiddetto multi-entanglement per sofisticati schemi di elaborazione delle informazioni.

Anche altre tecnologie in miniatura basate sulla fotonica del silicio possono entanglement fotoni ma senza il tanto necessario livello di multi-entanglement complesso. Finora, l’unico modo per produrre tali risultati era con più tavoli pieni di laser, cristalli specializzati e altre apparecchiature ottiche.

Un dispositivo sottile innesca uno dei fenomeni più strani e utili della meccanica quantistica

In questo rendering artistico di una metasuperficie, la luce passa attraverso minuscole strutture rettangolari – i mattoni della metasuperficie – e crea coppie di fotoni entangled a diverse lunghezze d’onda. Il dispositivo è stato progettato, fabbricato e testato grazie a una partnership tra i Sandia National Laboratories e il Max Planck Institute for the Science of Light. Credito: Laboratori Nazionali Sandia

“È piuttosto complicato e intrattabile quando questo multi-entanglement ha bisogno di più di due o tre paia”, ha detto Brener. “Queste metasuperfici non lineari svolgono essenzialmente questo compito in un campione quando prima avrebbero richiesto configurazioni ottiche incredibilmente complesse”.

L’articolo di Science illustra come il team ha sintonizzato con successo la propria metasuperficie per produrre fotoni entangled con lunghezze d’onda variabili, un precursore fondamentale per la generazione simultanea di diverse coppie di fotoni intricati.

Tuttavia, i ricercatori osservano nel loro articolo che l’efficienza del loro dispositivo, la velocità con cui possono generare gruppi di fotoni entangled, è inferiore a quella di altre tecniche e deve essere migliorata.

Cos’è una metasuperficie?

Una metasuperficie è un materiale sintetico che interagisce con la luce e altre onde elettromagnetiche in modi che i materiali convenzionali non possono. Le industrie commerciali, ha affermato Brener, sono impegnate nello sviluppo di metasuperfici perché occupano meno spazio e possono fare di più con la luce rispetto, ad esempio, a una lente tradizionale.

“Ora puoi sostituire lenti ed elementi ottici spessi con metasuperfici”, ha detto Brener. “Quei tipi di metasuperfici rivoluzioneranno i prodotti di consumo”.

Sandia è una delle principali istituzioni al mondo che effettua ricerche su metasuperfici e metamateriali. Tra il suo complesso di ingegneria, scienza e applicazioni dei microsistemi, che produce semiconduttori composti, e il vicino Centro per le nanotecnologie integrate, i ricercatori hanno accesso a tutti gli strumenti specializzati di cui hanno bisogno per progettare, fabbricare e analizzare questi nuovi ambiziosi materiali.

“Il lavoro è stato impegnativo in quanto richiedeva una precisa tecnologia di nanofabbricazione per ottenere le risonanze ottiche nitide e a banda stretta che seminano il processo quantistico del lavoro”, ha affermato Sylvain Gennaro, un ex ricercatore post-dottorato presso Sandia che ha lavorato su diversi aspetti del progetto.

Il dispositivo è stato progettato, fabbricato e testato attraverso una partnership tra Sandia e un gruppo di ricerca guidato dalla fisica Maria Chekhova, esperta nell’entanglement quantistico dei fotoni presso il Max Planck Institute for the Science of Light.

“Le metasuperfici stanno portando a un cambio di paradigma nell’ottica quantistica, combinando sorgenti ultrapiccole di luce quantistica con possibilità di vasta portata per l’ingegneria quantistica dello stato”, ha affermato Tomás Santiago-Cruz, membro del team Max Plank e primo autore dell’articolo.

Brener, che ha studiato i metamateriali per più di un decennio, ha affermato che questa ricerca più recente potrebbe innescare una seconda rivoluzione, quella che vede questi materiali sviluppati non solo come un nuovo tipo di lente, ma come una tecnologia per l’elaborazione dell’informazione quantistica e altre nuove applicazioni .

“C’era un’ondata con metasuperfici che è già ben consolidata e in arrivo. Forse è in arrivo una seconda ondata di applicazioni innovative”, ha affermato.


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