I computer quantistici, come sa chiunque abbia mai chiesto un preventivo, sono una scocciatura. Richiedono temperature vicine allo zero assoluto (-459°F), che è più o meno la temperatura dello spazio profondo e, guarda caso, la temperatura della pazienza della maggior parte delle persone verso questa tecnologia. Ma i ricercatori della Stanford University hanno sviluppato un dispositivo ottico nanometrico che funziona a temperatura ambiente, collegando le proprietà quantistiche della luce e degli elettroni. Questo potrebbe portare a tecnologie quantistiche più piccole, più economiche e in grado di trasmettere informazioni su lunghe distanze senza bisogno di un impianto criogenico.
Il dispositivo consente l'entanglement tra fotoni (particelle di luce) ed elettroni, un requisito fondamentale per la comunicazione quantistica. Jennifer Dionne, professoressa di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford e autrice senior dello studio pubblicato su Nature Communications, nota che il materiale non è nuovo, ma il modo in cui lo usano sì. "Fornisce una connessione di spin molto versatile e stabile tra elettroni e fotoni, che è la base teorica della comunicazione quantistica", dice. "Di solito, però, gli elettroni perdono il loro spin troppo rapidamente per essere utili." Quindi hanno risolto il problema.
L'aggeggio combina un sottile strato modellato di diseleniuro di molibdeno (MoSe2) con un substrato di silicio nanostrutturato. Il diseleniuro di molibdeno fa parte di una famiglia chiamata dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC), apprezzati per le loro proprietà ottiche e quantistiche. Le nanostrutture di silicio generano quella che i ricercatori chiamano "luce attorcigliata". Feng Pan, postdoc e primo autore dell'articolo, spiega: "I fotoni ruotano a cavatappi, ma cosa più importante, possiamo usare questi fotoni rotanti per impartire spin agli elettroni che sono il cuore del quantum computing." Quindi è fondamentalmente un attorcigliatore di luce molto piccolo e molto preciso.
Le nanostrutture modellate hanno all'incirca le dimensioni delle lunghezze d'onda della luce visibile - invisibili a occhio nudo, ma cruciali per manipolare i fotoni in modo che ruotino verso l'alto o verso il basso. Questa luce attorcigliata può diventare entangled con gli spin degli elettroni, creando qubit, i mattoni dell'informazione quantistica. Nell'informatica convenzionale sono zeri e uno; in quella quantistica, i qubit sfruttano effetti quantistici per fare le cose diversamente. Il grande ostacolo è stato la decoerenza - la perdita di informazione quantistica - che di solito richiede un raffreddamento estremo per essere prevenuta. Questo dispositivo la aggira operando a temperatura ambiente, rendendolo relativamente economico e pratico.
Se ulteriormente sviluppata, la tecnologia potrebbe potenziare le comunicazioni sicure, il sensing avanzato, il calcolo ad alte prestazioni e l'intelligenza artificiale. Il team ha scelto i materiali TMDC per le loro insolite caratteristiche quantistiche, collaborando con i ricercatori di Stanford Fang Liu e Tony Heinz, specializzati in questi materiali. "Tutto si riduce a questo materiale e al nostro chip di silicio", dice Pan. "Insieme, confinano e potenziano efficientemente l'attorcigliamento della luce per creare un forte accoppiamento di spin tra fotoni ed elettroni. Questo stabilizza lo stato quantistico che rende possibile la comunicazione quantistica."
I ricercatori continuano a migliorare il dispositivo, esplorando materiali TMDC aggiuntivi e combinazioni per prestazioni migliori. Stanno anche investigando se questi sistemi potrebbero sbloccare nuove capacità quantistiche non attualmente possibili a temperatura ambiente. Un obiettivo a lungo termine è integrare tali dispositivi in reti quantistiche più grandi, richiedendo miglioramenti nelle sorgenti luminose, modulatori, rivelatori e interconnessioni. In definitiva, sperano che i componenti quantistici possano essere miniaturizzati per l'elettronica di tutti i giorni. "Se riusciamo a farlo, forse un giorno potremo fare quantum computing in un telefono cellulare", dice Pan con un sorriso. "Ma è un piano a 10 anni e più." Quindi non trattenete il respiro, ma forse iniziate a pianificare un telefono molto più figo.