Qubit alla nanoscala: nuove sorgenti di bit quantistici miniaturizzate e programmabili
Semiconduttori bidimensionali ingegnerizzati alla nanoscala possono essere programmati per produrre in modo efficiente bit quantistici su scale spaziali ultracompatte. È questo il risultato di uno studio di ottica nonlineare e ottica quantistica recentemente pubblicato su Nature Photonics.
Rappresentazione grafica di un materiale bidimensionale nanoingegnerizzato utilizzato per la generazione di coppie di fotoni entangled. Crediti Ella Maru Studio.
I qubit, o bit quantistici, sono i mattoni fondamentali di innumerevoli tecnologie quantistiche, come il calcolo, la crittografia e la spettroscopia. L’ottica nonlineare ci consente di sfruttare un effetto chiamato spontaneous parametric down-conversion per produrre coppie di fotoni entangled, o qubit, utilizzando degli appositi materiali, i cosiddetti cristalli nonlineari. Questi cristalli hanno tuttavia uno spessore di millimetri, o addirittura centimetri, che limita la loro miniaturizzazione e la loro compatibilità con dispositivi ottici integrati.
La recente scoperta di nuovi materiali bidimensionali, come i dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), ha portato interessanti novità nel campo della miniaturizzazione dei dispositivi fotonici. I TMD sono infatti materiali stratificati che stanno avendo un impatto trasformativo nel campo dell'ottica nonlineare, grazie alla loro elevata nonlinearità ottica.
Con questo studio abbiamo programmato alla nanoscala un semiconduttore bidimensionale tramite un processo di nanoingegnerizzazione e realizzato per la prima volta una sorgente di bit quantistici efficiente e programmabile su scale micrometriche, mille volte più sottile di 1 millimetro!
Chiara Trovatello, prima autrice dello studio e Assistant Professor del Dipartimento di Fisica
Lo studio è stato condotto da Chiara Trovatello, i professori Giulio Cerullo del Politecnico di Milano, Milan Delor, Dmitri Basov, Cory Dean e P. James Schuck della Columbia University di New York City, Andrea Marini dell’Università dell’Aquila, Philip Walther e Lee Rozema dell’Università di Vienna, Jiwoong Park dell’Università di Chicago.
Lo studio online
Trovatello, C., Ferrante, C., Yang, B. et al.
Quasi-phase-matched up- and down-conversion in periodically poled layered semiconductors.
Nat. Photon. (2025).