Nuova frontiera per la luce quantistica: una recente innovazione nella fotonica quantistica promette di rivoluzionare il settore delle comunicazioni sicure. Un materiale sottilissimo realizzato in fosfuro di indio e gallio è stato utilizzato per generare coppie di fotoni entangled con proprietà regolabili. Grazie ad una struttura asimmetrica e all’impiego di avanzate tecniche di crescita cristallina, i ricercatori hanno ottenuto un controllo in tempo reale sull’entanglement. La scoperta crea nuovi scenari per la miniaturizzazione dei dispositivi quantistici e l’ottimizzazione della crittografia fotonica.
Un passo decisivo nella manipolazione della luce quantistica è stato recentemente compiuto grazie allo sviluppo di una metasuperficie ultracompatta realizzata in fosfuro di indio e gallio (InGaP), materiale nanostrutturato progettato da un team dell’Australian National University, che introduce un livello inedito di controllo sull’entanglement fotonico superando i limiti imposti dalle tradizionali sorgenti non lineari. La possibilità di regolare le proprietà dei fotoni entangled tramite variazione della lunghezza d’onda del laser di eccitazione genera nuove prospettive per l’ingegneria di dispositivi quantistici avanzati.
La chiave di questa evoluzione tecnologica risiede nell’introduzione di una marcata asimmetria nella configurazione della superficie: un substrato di biossido di silicio, posizionato unicamente su un lato della struttura, induce condizioni ottiche differenziate che permettono la generazione di stati entangled su misura. A differenza dei cristalli non lineari convenzionali che operano con simmetria intrinseca, la nuova architettura consente una personalizzazione dinamica delle correlazioni quantistiche, in particolare nei gradi di libertà della polarizzazione e dello spazio. Fondamentale per il successo dell’esperimento è stato il ripensamento della crescita cristallina, ispirato a ricerche risalenti agli anni Ottanta. Il gruppo di ricerca ha sostituito l’orientamento standard del reticolo con una disposizione cristallina alternativa, ottenuta mediante epitassia controllata all’interno della National Fabrication Facility australiana. Tale scelta ha reso accessibili proprietà ottiche non lineari altrimenti inibite, amplificando le capacità di generazione spontanea di fotoni gemelli attraverso processi quantistici complessi.
La struttura finale si compone di una griglia ordinata di nanopilastri con diametro inferiore al micrometro e altezza di circa 500 nanometri. L’ottimizzazione di questa geometria è stata guidata da simulazioni computazionali, con l’obiettivo di massimizzare le risonanze ottiche responsabili della conversione quantistica. Il controllo dell’entanglement avviene su scale temporali brevissime, con tempi di risposta nell’ordine dei picosecondi, rendendo il sistema ideale per applicazioni dove velocità e precisione sono parametri critici.
Le prestazioni sperimentali hanno superato ampiamente le tecnologie preesistenti, registrando un rapporto segnale-rumore superiore di due ordini di grandezza rispetto alle ottiche piatte a semiconduttore. Le coppie di fotoni prodotte risultano iperentangled, mostrando simultanee correlazioni in polarizzazione e modalità spaziale. Tali caratteristiche offrono notevole flessibilità per i protocolli di crittografia quantistica avanzata. L’importanza strategica di questa innovazione emerge con evidenza nelle prospettive per le comunicazioni quantistiche. La possibilità di integrare sorgenti entangled controllabili all’interno di chip fotonici è un salto qualitativo verso reti quantistiche compatte, scalabili e intrinsecamente sicure. Le proprietà della metasuperficie suggeriscono inoltre potenziali sviluppi nell’ambito della computazione quantistica e nella progettazione di sensori a sensibilità estrema.
Il progetto, guidato dal professor Andrey Sukhorukov, dimostra la capacità di sfruttare la fisica della luce su scala nanometrica per ottenere una manipolazione precisa degli stati quantistici. L’approccio può essere esteso a molteplici gradi di libertà fotonici, aprendo un nuovo capitolo nella progettazione funzionale delle metasuperfici quantistiche.
