La fotonica al silicio illumina il cammino verso grandi applicazioni su larga scala nell'informazione quantistica.

15 luglio 2024

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da SPIE

In un significativo passo avanti per la tecnologia quantistica, i ricercatori hanno raggiunto un traguardo nell'utilizzo della dimensione di frequenza all'interno della fotonica integrata. Questa innovazione promette non solo progressi nel campo dei computer quantistici, ma getta anche le basi per reti di comunicazione ultra-sicure.

La fotonica integrata, la manipolazione della luce all'interno di circuiti minuscoli su chip di silicio, da tempo promette applicazioni quantistiche grazie alla sua scalabilità e compatibilità con l'infrastruttura delle telecomunicazioni esistente.

In uno studio pubblicato su Advanced Photonics, i ricercatori del Centro per le Nanoscienze e la Nanotecnologia (C2N), Télécom Paris e STMicroelectronics (STM) hanno superato le limitazioni precedenti sviluppando resonatori a anello in silicio con un'area inferiore a 0,05 mm2 capaci di generare oltre 70 canali di frequenza distinti separati da 21 GHz l'uno.

Questo consente la parallelizzazione e il controllo indipendente di 34 singole porte qubit utilizzando solo tre dispositivi elettro-ottici standard. Il dispositivo può generare efficientemente coppie di fotoni intrecciati nella banda di frequenza, componenti cruciali nella costruzione di reti quantistiche.

L'innovazione chiave risiede nella loro capacità di sfruttare queste strette separazioni di frequenza per creare e controllare stati quantistici. Utilizzando i resonatori ad anello integrati, hanno generato con successo stati intrecciati in frequenza attraverso un processo noto come mixing spontaneo a quattro onde. Questa tecnica consente ai fotoni di interagire e diventare intrecciati, una capacità cruciale per la costruzione di circuiti quantistici.

Ciò che distingue questa ricerca è la sua praticità e scalabilità. Sfruttando il controllo preciso offerto dai loro resonatori in silicio, i ricercatori hanno dimostrato il funzionamento simultaneo di 34 singole porte qubit utilizzando solo tre dispositivi elettro-ottici standard. Questa innovazione consente la creazione di complesse reti quantistiche dove più qubit possono essere manipolati in modo indipendente e parallelo.

Per convalidare il loro approccio, il team ha effettuato esperimenti presso C2N, mostrando la tomografia di stato quantico su 17 coppie di qubit massimamente intrecciati in diverse bande di frequenza. Questa caratterizzazione dettagliata ha confermato la fedeltà e la coerenza dei loro stati quantistici, segnando un passo significativo verso il calcolo quantistico pratico.

Forse il più importante, i ricercatori hanno raggiunto un traguardo nella rete stabilendo quello che credono essere il primo network quantistico completamente connesso a cinque utenti nel dominio della frequenza. Questo risultato apre nuove vie per i protocolli di comunicazione quantistica, che si basano sulla trasmissione sicura delle informazioni codificate negli stati quantistici.

Osservando al futuro, questa ricerca non solo dimostra il potere della fotonica in silicio nel promuovere le tecnologie quantistiche, ma getta anche le basi per future applicazioni nel campo del calcolo quantistico e delle comunicazioni sicure. Con continui progressi, queste piattaforme di fotonica integrata potrebbero rivoluzionare settori che dipendono dalla trasmissione sicura dei dati, offrendo livelli di potenza computazionale e sicurezza dati senza precedenti.

Il corrispondente autore Dr. Antoine Henry di C2N e Télécom Paris osserva: 'Il nostro lavoro mette in luce come la banda di frequenza possa essere sfruttata per applicazioni su larga scala nell'informazione quantistica. Crediamo che offra prospettive per architetture scalabili nel dominio della frequenza per comunicazioni quantistiche ad alta dimensione ed efficienti nei consumi.'

Henry sottolinea che i singoli fotoni a lunghezze d'onda delle telecomunicazioni sono ideali per le applicazioni reali. Sfruttare le reti di fibra ottica esistenti con la fotonica integrata consente la miniaturizzazione, la stabilità e il potenziale di scalabilità per un aumento della complessità dei dispositivi, e quindi la generazione efficiente e personalizzata delle coppie di fotoni per implementare reti quantistiche con codifica in frequenza a lunghezze d'onda delle telecomunicazioni.

Le implicazioni di questa ricerca sono vaste. Sfruttando la dimensione di frequenza nella fotonica integrata, i ricercatori hanno sbloccato importanti vantaggi tra cui scalabilità, resistenza al rumore, parallelezza e compatibilità con le tecniche di multiplexing delle telecomunicazioni esistenti. Mentre il mondo si avvicina sempre di più a realizzare il pieno potenziale delle tecnologie quantistiche, questo traguardo riportato dai ricercatori di C2N, Télécom Paris e STM funge da faro, guidando il cammino verso un futuro in cui le reti quantistiche offrono comunicazioni sicure.

Journal information: Advanced Photonics

Provided by SPIE