I progressi negli emettitori quantistici segnano il progresso verso un’Internet quantistica

La prospettiva di un’Internet quantistica, che colleghi computer quantistici e sia in grado di trasmettere dati in modo altamente sicuro, è allettante, ma realizzarla rappresenta una sfida formidabile. Il trasporto di informazioni quantistiche richiede di lavorare con singoli fotoni anziché con le sorgenti luminose utilizzate nelle reti in fibra ottica convenzionali. Per produrre e manipolare i singoli fotoni, gli scienziati si rivolgono agli emettitori di luce quantistica, noti anche come centri di colore. Questi difetti su scala atomica nei materiali semiconduttori possono emettere singoli fotoni di lunghezza d'onda o colore fissi e consentire ai fotoni di interagire con le proprietà di spin degli elettroni in modi controllati.

Un team di ricercatori ha recentemente dimostrato una tecnica più efficace per creare emettitori quantistici utilizzando fasci di ioni pulsati, approfondendo la nostra comprensione di come si formano gli emettitori quantistici. Il lavoro è stato guidato dai ricercatori del Dipartimento dell’Energia Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Thomas Schenkel, Liang Tan e Boubacar Kanté, che è anche professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso l’Università della California, Berkeley. I risultati sono apparsi su Physics Review Applied e fanno parte di uno sforzo più ampio da parte del team per identificare i migliori emettitori di difetti quantistici per l’elaborazione e il trasporto di informazioni quantistiche e per produrli con precisione.

"I centri di colore che stiamo creando sono candidati a diventare la spina dorsale di un'Internet quantistica e una risorsa chiave per l'elaborazione scalabile delle informazioni quantistiche", ha affermato Schenkel, uno scienziato senior della divisione ATAP (Accelerator Technology & Applied Physics) del Berkeley Lab. “Potrebbero supportare il collegamento di nodi di calcolo quantistico per un calcolo quantistico scalabile”.

“I centri di colore che stiamo creando sono candidati a diventare la spina dorsale di un’Internet quantistica e una risorsa chiave per l’elaborazione scalabile delle informazioni quantistiche”— Thomas Schenkel

In questo lavoro, il team ha mirato alla fabbricazione di un tipo specifico di centro di colore nel silicio comprendente due atomi di carbonio sostitutivi e un atomo di silicio leggermente spostato. Il metodo convenzionale per produrre i difetti consiste nel colpire il silicio con un fascio continuo di ioni ad alta energia; tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che un fascio ionico pulsato è significativamente più efficiente, producendo molti più centri di colore desiderati.

“Siamo rimasti sorpresi nello scoprire che questi difetti possono essere generati più facilmente con fasci di ioni pulsati”, ha affermato Wei Liu, studioso post-dottorato dell’ATAP e primo autore della pubblicazione. "Al momento, l'industria e il mondo accademico utilizzano principalmente travi continue, ma abbiamo dimostrato un approccio più efficiente."

I ricercatori ritengono che le eccitazioni transitorie create dal raggio pulsato, dove la temperatura e l’energia del sistema cambiano rapidamente, sono fondamentali per una formazione più efficiente del centro di colore, che hanno stabilito attraverso uno studio precedente utilizzando fasci ionici pulsati da un acceleratore laser pubblicato nei materiali di comunicazione.

Il team ha caratterizzato i centri di colore a temperature criogeniche utilizzando rilevatori del vicino infrarosso altamente sensibili per sondare i loro segnali ottici. Hanno scoperto che l’intensità del fascio ionico utilizzato per creare i centri di colore modificava le proprietà ottiche dei fotoni emessi. Simulazioni al computer su larga scala sul sistema Perlmutter presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) hanno fornito ulteriori informazioni sulla scoperta, rivelando che la lunghezza d’onda dei fotoni emessi è sensibile alla deformazione nel reticolo cristallino.

“I calcoli della struttura elettronica basati sui principi primi sono diventati il ​​metodo di riferimento per comprendere le proprietà dei difetti”, ha aggiunto Vsevolod Ivanov, studioso post-dottorato presso la Molecular Foundry e co-primo autore della pubblicazione. “Siamo arrivati ​​al punto in cui possiamo prevedere come si comporta un difetto, anche in ambienti complessi”.

I risultati suggeriscono anche una nuova applicazione per i centri di colore degli emettitori quantistici come sensori di radiazione.

"Apre nuove direzioni", ha affermato Tan, uno scienziato dello staff della Molecular Foundry del Berkeley Lab. “Possiamo formare questo centro di colore semplicemente colpendo il silicio con un protone. Potremmo potenzialmente usarlo come rilevatore di materia oscura o di neutrini con direzionalità perché vediamo questi diversi campi di deformazione a seconda della direzione in cui arriva la radiazione”.