I ricercatori utilizzano l’entanglement quantistico per raggiungere l'”ultrabroadband”

I ricercatori dell’Università di Rochester hanno sfruttato l’entanglement quantistico per raggiungere una larghezza di banda incredibilmente grande. Ciò è stato possibile utilizzando un dispositivo nanofotonico a pellicola sottile.

Questo nuovo approccio potrebbe portare a una sensibilità e una risoluzione migliorate per esperimenti di metrologia e rilevamento, nonché a una codifica di informazioni a dimensioni più elevate nelle reti quantistiche per l’elaborazione e la comunicazione delle informazioni.

La ricerca è stata pubblicata su Physical Review Letters.

Entanglement quantistico

L’entanglement quantistico si verifica quando due particelle quantistiche sono collegate tra loro, e ciò può accadere anche quando sono estremamente lontane l’una dall’altra. Un’osservazione di una particella influisce sull’altra, dimostrando come stanno comunicando tra loro.

Quando i fotoni entrano in scena e diventano coinvolti nell’entanglement, ci sono molte più possibilità. Ad esempio, le frequenze dei fotoni possono essere intrecciate e la larghezza di banda può essere controllata.

Qiang Lin è professore di ingegneria elettrica e informatica.

“Questo lavoro rappresenta un grande passo avanti nella produzione di entanglement quantistico ultrabroadband su un chip nanofotonico”, afferma Lin. “E dimostra il potere della nanotecnologia per lo sviluppo di dispositivi quantistici futuri per la comunicazione, l’elaborazione e il rilevamento”.

Entanglement di luce a larghezza di banda ampia

I dispositivi attuali spesso si basano sulla divisione di un cristallo in bulk in sezioni più piccole per generare entanglement di luce a larghezza di banda ampia. Ognuna di queste sezioni varia leggermente nelle proprietà ottiche e genera frequenze diverse delle coppie di fotoni. Sommando queste frequenze, si può ottenere una larghezza di banda più ampia.

Usman Javid è uno studente di dottorato nel laboratorio di Lin e autore principale dell’articolo.

“Questo è piuttosto inefficiente e si traduce in un costo di luminosità e purezza ridotta dei fotoni”, afferma Javid. “Ci sarà sempre un compromesso tra la larghezza di banda e la luminosità delle coppie di fotoni generate, e si deve fare una scelta tra i due. Abbiamo completamente superato questo compromesso con la nostra tecnica di ingegneria della dispersione per ottenere entrambi: una larghezza di banda record a una luminosità record”.

Il dispositivo nanofotonico a pellicola sottile di niobato di litio appena sviluppato dal team si basa su una guida d’onda singola con elettrodi su entrambi i lati. Mentre un dispositivo in bulk può essere largo alcuni millimetri, il dispositivo a pellicola sottile è estremamente impressionante con uno spessore di 600 nanometri. Ciò lo rende un milione di volte più piccolo nella sua area di sezione trasversale rispetto a un cristallo in bulk, rendendo la propagazione della luce estremamente sensibile alle dimensioni della guida d’onda.

Ci possono essere grandi cambiamenti nella fase e nella velocità di gruppo della luce che si propaga attraverso il dispositivo già con una variazione di pochi nanometri. A causa di ciò, il dispositivo consente il controllo sulla larghezza di banda in cui il processo di generazione della coppia è accoppiato alla quantità di moto.

“Possiamo risolvere un problema di ottimizzazione dei parametri per trovare la geometria che massimizza questa larghezza di banda”, afferma Javid.

Distribuzione del dispositivo

Il team ha il dispositivo pronto per essere distribuito in esperimenti in un ambiente di laboratorio, ma se deve essere utilizzato commercialmente, dovranno sviluppare un processo di fabbricazione più efficiente e meno costoso.

La fabbricazione del niobato di litio è ancora in una fase di infanzia, e l’aspetto finanziario deve essere migliorato.

Il team ha lavorato sulla ricerca insieme ai coautori Jingwei Ling, Mingxiao Li e Yang He del Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica. Il progetto ha anche incluso Jeremy Staffa dell’Istituto di ottica.