Drogato con itterbio fibre ottiche dovrebbero aprire la strada a tecnologie quantistiche economicamente vantaggiose.
I sistemi basati sui quantistici promettono un’elaborazione più veloce e una crittografia più potente per i sistemi di calcolo e comunicazione. Questi sistemi possono essere costruiti su reti in fibra che coinvolgono nodi interconnessi costituiti da qubit e generatori di fotoni singoli che creano coppie di fotoni intrecciati.
Fibre ottiche – foto associativa. Credito immagine: Pixabay, licenza gratuita
A questo proposito, gli atomi e gli ioni delle terre rare (RE) nei materiali allo stato solido sono molto promettenti come generatori di fotoni singoli. Questi materiali sono compatibili con le reti in fibra ed emettono fotoni in un’ampia gamma di lunghezze d’onda.
Grazie alla loro ampia gamma spettrale, le fibre ottiche drogate con questi elementi RE potrebbero trovare impiego in varie applicazioni, come le telecomunicazioni nello spazio libero, le telecomunicazioni basate su fibra, la generazione di numeri casuali quantistici e l’analisi di immagini ad alta risoluzione.
Tuttavia, finora, le sorgenti luminose a fotone singolo sono state sviluppate utilizzando materiali cristallini drogati con RE a temperature criogeniche, il che limita le applicazioni pratiche delle reti quantistiche basate su di essi.
Costruzione di fibra ottica rastremata drogata con atomi di terre rare: (a) Diagramma schematico e osservazione al microscopio di una fibra ottica drogata con atomi di terre rare. Si può vedere la fluorescenza dell’intera fibra ottica. (b) Diagramma schematico e osservazione al microscopio della fibra ottica dopo l’elaborazione termica e di trazione. Si può vedere la fluorescenza di un singolo atomo di terre rare isolato nella fibra ottica. Credito immagine: Kaoru Sanaka di TUS, Giappone
In uno studio pubblicato nel volume 20, numero 4 della rivista Revisione fisica applicataun team di ricercatori giapponesi, guidato dal professore associato Kaoru Sanaka dell’Università delle Scienze di Tokyo (TUS), ha sviluppato con successo una sorgente luminosa a fotone singolo costituita da ioni di itterbio drogati (Yb3+) in una fibra ottica di silice amorfa a temperatura ambiente.
Hanno preso parte a questo studio anche il professore associato Mark Sadgrove e il signor Kaito Shimizu della TUS e il professor Kae Nemoto dell’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University. Questa sorgente luminosa a fotone singolo di nuova concezione elimina la necessità di costosi sistemi di raffreddamento e ha il potenziale per rendere le reti quantistiche più convenienti e accessibili.
Risultati della misurazione dell’autocorrelazione del secondo ordine per il tempo di ritardo: quando il tempo di ritardo è zero, si osserva l’emissione di un singolo fotone. Il valore è inferiore a 0,5 quando il tempo di ritardo è zero. Credito immagine: Kaoru Sanaka di TUS, Giappone
“Le sorgenti luminose a fotone singolo sono dispositivi che controllano le proprietà statistiche dei fotoni, che rappresentano le più piccole unità energetiche della luce”, spiega il dottor Sanaka.
“In questo studio, abbiamo sviluppato una sorgente luminosa a fotone singolo utilizzando un materiale in fibra ottica drogato con elementi RE otticamente attivi. I nostri esperimenti rivelano anche che tale fonte può essere generata direttamente da una fibra ottica a temperatura ambiente”.
L’itterbio è un elemento RE con proprietà ottiche ed elettroniche favorevoli, che lo rendono un candidato adatto per il drogaggio della fibra. Ha una struttura a livello energetico semplice e lo ione itterbio nel suo stato eccitato ha una lunga durata di fluorescenza di circa un millisecondo.
Per fabbricare la fibra ottica drogata con itterbio, i ricercatori hanno rastremato una fibra drogata con itterbio disponibile in commercio utilizzando una tecnica heat-and-pull, in cui una sezione della fibra viene riscaldata e quindi tirata con tensione per ridurne gradualmente il diametro.
All’interno della fibra affusolata, i singoli atomi RE emettono fotoni quando eccitati con un laser. La separazione tra questi atomi RE gioca un ruolo cruciale nella definizione delle proprietà ottiche della fibra.
Ad esempio, se la separazione media tra i singoli atomi di RE supera il limite di diffrazione ottica, che è determinato dalla lunghezza d’onda dei fotoni emessi, la luce emessa da questi atomi appare come se provenisse da cluster piuttosto che da sorgenti individuali distinte.
Per confermare la natura di questi fotoni emessi, i ricercatori hanno utilizzato un metodo analitico noto come autocorrelazione, che valuta la somiglianza tra un segnale e la sua versione ritardata. Analizzando il modello di fotoni emessi utilizzando l’autocorrelazione, i ricercatori hanno osservato emissioni non risonanti e hanno inoltre ottenuto prove dell’emissione di fotoni dal singolo ione itterbio nel filtro drogato.
Mentre la qualità e la quantità dei fotoni emessi possono essere ulteriormente migliorate, la fibra ottica sviluppata con atomi di itterbio può essere prodotta senza la necessità di costosi sistemi di raffreddamento. Ciò supera un ostacolo significativo e apre le porte a varie tecnologie di informazione quantistica di prossima generazione.
“Abbiamo dimostrato una sorgente luminosa a fotone singolo a basso costo con lunghezza d’onda selezionabile e senza la necessità di un sistema di raffreddamento. Andando avanti, può abilitare varie tecnologie di informazione quantistica di prossima generazione come veri generatori di numeri casuali, comunicazione quantistica, operazioni di logica quantistica e analisi di immagini ad alta risoluzione oltre il limite di diffrazione”, conclude il dottor Sanaka.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
