C’è anche il Politecnico di Milano nella ricerca che ha prodotto un significativo passo in avanti verso i futuri sistemi quantistici per la comunicazione sicura. Lo studio, i cui risultati sono appena stati pubblicati su Applied Physics Letters, è frutto di una collaborazione tra National Institute of Standards and Technology (NIST), University of California in San Diego, IBM TJ Watson Research Center e il nostro ateneo milanese. Siamo nel campo della nanofotonica, un settore molto promettente e in grande sviluppo. Ne abbiamo parlato con Alberto Tosi, del Dipartimento di Elettronica e Informazione del Politecnico di Milano, uno degli autori della ricerca.
Le vostre ricerche si inseriscono nel campo dei dispositivi nanofotonici su silicio: può tratteggiarne brevemente le caratteristiche?
Da qualche anno la comunità scientifica sta lavorando nella direzione di integrare sullo stesso chip sia componenti elettronici che ottici. Per superare le limitazioni di banda dei componenti elettronici, si è iniziato ad utilizzare componenti ottici quali modulatori, fotorivelatori e multiplexer ultracompatti a divisione di lunghezza d’onda (WDM) da integrare con circuiti CMOS digitali e analogici ad alte prestazioni. Un computer basato su questo tipo di tecnologia può essere anche tre ordini di grandezza più veloce rispetto alle migliori macchine attuali. Inoltre è possibile sfruttare le proprietà quantistiche della luce (lavorando a livello di singoli fotoni) per costruire sistemi di comunicazioni assolutamente sicuri e per sviluppare piattaforme di simulazione di eventi quantici.
In particolare con quest’ultima ricerca vi siete indirizzati verso la generazione di fotoni singoli: perché è così interessante?
La fotonica quantistica su chip promette la combinazione di elevate prestazioni, integrazione dei dispositivi e scalabilità necessaria per molte tecnologie nel campo del quantum information processing, delle comunicazioni e della metrologia. Tutto questo porta allo sviluppo di componenti integrati su chip per la generazione, manipolazione e rivelazione degli stati quantistici. Volendo sfruttare le proprietà della luce è necessario avere il controllo sui singoli quanti di luce, quindi sui fotoni. Si capisce dunque come sia fondamentale avere una buona sorgente di singoli fotoni per ottenere un sistema complessivo con elevate performance. Il nostro lavoro di ricerca aveva lo scopo di sviluppare una sorgente di singoli fotoni che si aggiungesse ad altre due tecnologie (interferometri per manipolare l’entanglement dei fotoni e rivelatori di singoli fotoni) recentemente sviluppate per costruire circuiti ottici quantistici e per sistemi quantistici per la comunicazione sicura.
Cosa avete dimostrato e quali tecnologie avete utilizzato?
Abbiamo dimostrato come sia possibile ottenere un’ottima sorgente di singoli fotoni a 1550 nm (ovvero nella terza finestra delle telecomunicazioni in fibra) a temperatura ambiente utilizzando un chip in silicio in cui sono integrate delle guide d’onda ottiche risonanti che sfruttano il fenomeno del four-wave mixing (FWM). A differenza di altre sorgenti basate sul FWM, come cristalli, guide d’onda “quasi-phase-matched” e fibre ottiche, la sorgente sviluppata ha il vantaggio di essere integrata in un semplice chip di silicio e quindi è compatibile con l’attuale tecnologia elettronica ed è facilmente scalabile. Pompando il chip con un luce impulsata a 1550 nm, il meccanismo di FWM permette la generazione di singole coppie di fotoni a 1530 nm (detto heralded) e 1570 nm (detto heralding). Si è poi misurato il grado di coerenza del secondo ordine mediante la tecnica di Hanbury-Brown and Twiss photon correlation.
Questi esperimenti sono stati realizzati con un elevato grado di accuratezza grazie alle ottime prestazioni dei rivelatori di singoli fotoni (SPAD, Single-Photon Avalanche Diode) in InGaAs/InP (cioè Arseniuro di Gallio e Indio/Fosfuro di Indio) che sono stati progettati e realizzati da me insieme a Franco Zappa, Andrea Bahgat Shehata, Adriano Della Frera e Carmelo Scarcella presso il Dipartimento di Elettronica e Informazione del Politecnico di Milano.
Quali saranno i prossimi passi e quale il goal più atteso?
Il nostro lavoro è un passo avanti verso la realizzazione di dispositivi quantici nanofotonici che integrano sorgenti di singoli fotoni, circuiti quantistici a guida d’onda e rivelatori di singoli fotoni in un’unica piattaforma in silicio. Per questo scopo e per lo sviluppo di altre piattaforme integrate per la simulazione di fenomeni quantistici, il Dipartimento di Elettronica e Informazione del Politecnico di Milano sta lavorando su rivelatori di singoli fotoni (SPAD) sia per il visibile (400 nm – 800 nm) che per il vicino infrarosso (800 nm – 1700 nm) con tecnologie in silicio e InGaAs/InP. Attualmente sono disponibili le prime matrici di SPAD in silicio e singoli pixel di SPAD in InGaAs/InP, mentre si stanno sviluppando matrici di SPAD in silicio di dimensioni maggiori e le prime matrici di SPAD in InGaAs/InP.