Il diamante per le reti quantistiche del futuro / The diamond for quantum networks of the future
Il diamante per le reti quantistiche del futuro / The diamond for quantum networks of the future
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Uno studio dell’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr e dell’Università di Ulm, pubblicato su ACS Photonics, ha individuato un nuovo metodo per impiantare qubit all’interno di circuiti fotonici, aprendo, così, la strada ai sistemi di calcolo quantistico in diamante
Le reti quantistiche si basano su sistemi connessi l’uno all’altro per il trasferimento di informazioni, sfruttando proprietà quanto-meccaniche come l’entanglement e la sovrapposizione di stati. La capacità di modificare la luce a livello di singolo fotone in un dispositivo integrato è un requisito fondamentale per sviluppare la nuova generazione di reti quantistiche: questo consentirà di realizzare computer avanzati per risolvere sempre più rapidamente alcuni problemi complessi, ma anche di utilizzare canali di comunicazione sicuri per trasferire informazioni criptate.
Oggi, grazie ad una collaborazione tra i gruppi di ricerca guidati da Shane Eaton dell’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ifn) di Milano e da Alexander Kubanek dell’Università di Ulm, è stato sviluppato un metodo di fabbricazione innovativo ed ibrido per realizzare circuiti fotonici utilizzando il diamante: un passo essenziale per sviluppare bit quantistici (qubit), l’elemento base dell’informazione quantistica.
“Nel diamante sono presenti, e possono essere opportunamente ingegnerizzati, dei difetti reticolari in grado di essere utilizzati come qubit”, spiega Shane Eaton ricercatore del Cnr-Ifn. “Si tratta dei centri di colore, posizioni reticolari dove è presente un’impurezza e manca un atomo di carbonio, e nei quali è possibile codificare, controllare e manipolare l’informazione quantistica sotto forma di qubit. Tale particolare morfologia -e la presenza di questi difetti – rende il diamante un candidato promettente per le tecnologie quantistiche”.
Il gruppo italiano, insieme a colleghi dell’Università di Ulm, ha dimostrato che è possibile collocare con precisione qubit basati su centri silicio-vacanza all’interno di circuiti fotonici formati mediante laser in diamante.
“Tali risultati nascono dalla prima dimostrazione (Eaton, Nature Scientific Reports, 2016) che i laser a femtosecondi - ossia laser che emettono impulsi brevissimi e ravvicinati, essendo un femtosecondo un milionesimo di miliardesimo di secondo- possono creare nel diamante connessioni fotoniche, che sono i mattoncini fondamentali necessari per il calcolo quantistico”, spiega Eaton. “Un altro ingrediente fondamentale è, poi, quello di realizzare qubit: con questa nuova tecnica abbiamo sviluppato un chip integrato in diamante, in grado di ingegnerizzare la luce a livello di singolo fotone. Il prossimo passo sarà fabbricare un circuito fotonico tridimensionale per rendere possibili sistemi per il calcolo quantistico di prossima generazione in diamante, tali da consentire l’elaborazione di una quantità notevole di dati contemporaneamente, con estrema velocità”, precisa il ricercatore.
L’importanza di queste tematiche, sia a livello fondamentale che tecnologico, è stata recentemente comprovata anche dall’assegnazione del Premio Nobel per la Fisica 2022 conferito ad Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger: questi risultati assumono, pertanto, grande rilevanza per il futuro sviluppo di tecnologie quantistiche all’avanguardia.
Questo lavoro è stato reso possibile grazie al programma Marie-Skłodowska-Curie innovative training network (ITN), un finanziamento europeo coordinato da Eaton, con la collaborazione, fra gli altri, della Scuola di Dottorato del Politecnico di Milano. “Il nostro ITN permette la formazione di 13 promettenti studenti di dottorato, in laboratori europei, sia universitari che industriali, in campi interdisciplinari. In questo caso, la collaborazione con il nostro partner, Università di Ulm, ci ha portato a questa nuova scoperta, che avrà un forte impatto sull’imminente rivoluzione quantistica e sul futuro della computazione”, conclude Eaton.
ENGLISH
A study by the CNR Institute of Photonics and Nanotechnology and the University of Ulm, published in ACS Photonics, has identified a new method for implanting qubits inside photonic circuits, thus paving the way for quantum computing systems in diamond
Quantum networks are based on systems connected to each other for the transfer of information, exploiting quantum-mechanical properties such as entanglement and superposition of states. The ability to modify light at the single photon level in an integrated device is a fundamental requirement for developing the new generation of quantum networks: this will make it possible to build advanced computers to solve some complex problems more and more quickly, but also to use communication channels safe to transfer encrypted information.
Today, thanks to a collaboration between the research groups led by Shane Eaton of the Institute of photonics and nanotechnology of the National Research Council (Cnr-Ifn) of Milan and by Alexander Kubanek of the University of Ulm, a method of innovative and hybrid fabrication to make photonic circuits using diamond: an essential step to develop quantum bits (qubits), the building block of quantum information.
"In diamond there are, and can be suitably engineered, lattice defects capable of being used as qubits", explains Shane Eaton, researcher at the Cnr-Ifn. “These are color centers, reticular positions where an impurity is present and a carbon atom is missing, and in which it is possible to encode, control and manipulate quantum information in the form of qubits. This particular morphology - and the presence of these defects - makes diamond a promising candidate for quantum technologies".
The Italian team, together with colleagues from the University of Ulm, demonstrated that it is possible to precisely place qubits based on silicon-vacancy centers within photonic circuits formed using diamond lasers.
“These results arise from the first demonstration (Eaton, Nature Scientific Reports, 2016) that femtosecond lasers - i.e. lasers that emit very short and close pulses, a femtosecond being one millionth of a billionth of a second - can create photonic connections in diamond, which are the building blocks needed for quantum computing,” explains Eaton. “Another fundamental ingredient is, then, that of creating qubits: with this new technique we have developed a chip integrated in diamond, capable of engineering light at the single photon level. The next step will be to fabricate a three-dimensional photonic circuit to make possible systems for next generation quantum computing in diamond, such as to allow the processing of a considerable amount of data simultaneously, with extreme speed", specifies the researcher.
The importance of these issues, both at a fundamental and technological level, has also recently been demonstrated by the awarding of the Nobel Prize for Physics 2022 to Alain Aspect, John Clauser and Anton Zeilinger: these results therefore assume great importance for the future development of cutting-edge quantum technologies.
This work was made possible thanks to the Marie-Skłodowska-Curie innovative training network (ITN) programme, a European funding coordinated by Eaton, with the collaboration, among others, of the Doctoral School of the Milan Polytechnic. “Our ITN allows the training of 13 promising PhD students, in European laboratories, both university and industrial, in interdisciplinary fields. In this case, collaboration with our partner, the University of Ulm, has led us to this new discovery, which will have a major impact on the imminent quantum revolution and the future of computing,” concludes Eaton.
Da:
https://www.lescienze.it/news/2022/12/30/news/il_diamante_per_le_reti_quantistiche_del_futuro-10992231/?fbclid=IwAR3DdM1zySUi4mglY0sZ-mkmdCxqrMn94CVoJeFCYshNt5ys372-ltBS-vE
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