Il materiale diamantato è di grande importanza per le tecnologie future come l’internet quantistico. Speciali centri di difetto possono essere utilizzati come bit quantici (qubit) ed emettere singole particelle di luce che vengono chiamate fotoni.
Per consentire la trasmissione dei dati con velocità di comunicazione fattibili su lunghe distanze in una rete quantistica, tutti i fotoni devono essere raccolti in fibre ottiche e trasmessi senza essere persi. Bisogna anche assicurarsi che questi fotoni abbiano tutti la stessa frequenza. Soddisfare questi requisiti è stato finora impossibile.
I ricercatori del gruppo “Integrated Quantum Photonics” guidato dal Prof. Dr. Tim Schröder della Humboldt-Universität zu Berlin sono riusciti per la prima volta al mondo a generare e rilevare fotoni con frequenze emesse da sorgenti di luce quantistica, o, più precisamente, dalle nanostrutture diamantate.
Ciò è stato possibile scegliendo con cura il materiale diamantato: sofisticati metodi di nanofabbricazione eseguiti presso il Joint Lab Diamond Nanophotonics del Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik e specifici protocolli di controllo sperimentali. Combinando questi metodi, il rumore degli elettroni, che in precedenza disturbava la trasmissione dei dati, può essere notevolmente ridotto. Grazie a questo, i fotoni vengono emessi a una frequenza stabile.
Inoltre, i ricercatori di Berlino mostrano che le attuali velocità di comunicazione tra sistemi quantistici spazialmente separati possono essere aumentate in prospettiva di oltre 1000 volte con l’aiuto dei metodi sviluppati, un passo importante verso una futura Internet quantistica.
L’internet del futuro sta arrivando
Gli scienziati hanno integrato singoli qubit in nanostrutture di diamante ottimizzate. Queste strutture sono 1000 volte più sottili di un capello umano e consentono di trasferire i fotoni in modo diretto nelle fibre di vetro.
Tuttavia, durante la fabbricazione delle nanostrutture, la superficie del materiale viene danneggiata a livello atomico e gli elettroni liberi creano un rumore incontrollabile per le particelle di luce generate. Il rumore, paragonabile a una radiofrequenza instabile, provoca fluttuazioni nella frequenza dei fotoni, impedendo operazioni quantistiche di successo come l’entanglement.
Una caratteristica speciale del materiale diamantato utilizzato è la sua densità relativamente elevata di atomi di azoto nel reticolo cristallino. Questi probabilmente proteggono la sorgente di luce quantistica dal rumore elettronico sulla superficie della nanostruttura. “Tuttavia, i processi fisici esatti devono essere studiati più dettagliatamente in futuro“, spiega Laura Orphal-Kobin, che studia i sistemi quantistici insieme al Prof. Dr. Tim Schröder.
Le conclusioni tratte dalle osservazioni sperimentali sono supportate da modelli statistici e simulazioni, che il Dr. Gregor Pieplow dello stesso gruppo di ricerca sta sviluppando e implementando insieme ai fisici sperimentali.