Gli ingegneri dell'Università di Rochester hanno raggiunto una larghezza di banda e una luminosità senza precedenti su dispositivi nanofotonici delle dimensioni di un chip, grazie al cosiddetto entanglement quantistico – o ciò che Albert Einstein una volta definì "azione spettrale a distanza"– un fenomeno che si verifica quando due particelle quantistiche sono collegate tra loro, anche quando si trovano a milioni o miliardi di chilometri di distanza. Qualsiasi osservazione di una particella influenza l'altra come se stessero comunicando tra loro. Quando questo entanglement coinvolge fotoni, emergono interessanti possibilità, tra cui l'impigliamento delle frequenze dei fotoni, la cui larghezza di banda può essere controllata.
I ricercatori dell'Università di Rochester hanno approfittato di questo fenomeno per generare una larghezza di banda incredibilmente ampia utilizzando un dispositivo nanofotonico a film sottile.
La svolta potrebbe portare a una codifica dimensionale superiore delle informazioni nelle reti quantistiche per l'elaborazione e la comunicazione delle informazioni. "Questo lavoro rappresenta un importante balzo in avanti nella produzione di entanglement quantistico a banda ultralarga su un chip nanofotonico", ha affermato Qiang Lin, professore di ingegneria elettrica e informatica. "E dimostra il potere della nanotecnologia per lo sviluppo di futuri dispositivi quantistici per la comunicazione, l'informatica e il rilevamento".
Ad oggi, la maggior parte dei dispositivi utilizzati per generare l'entanglement a banda larga della luce hanno fatto ricorso alla divisione di un cristallo di massa in piccole sezioni, ognuna con proprietà ottiche leggermente variabili e ognuna delle quali genera frequenze diverse delle coppie di fotoni. Le frequenze vengono quindi sommate per dare una larghezza di banda maggiore.
Il dispositivo nanofotonico al litio niobato a film sottile creato dal laboratorio di Lin utilizza invece una singola guida d'onda con elettrodi su entrambi i lati. Mentre un dispositivo di massa può essere di diametro millimetrico, il dispositivo a film sottile ha uno spessore di 600 nanometri, più di un milione di volte più piccolo nella sua area di sezione trasversale rispetto a un cristallo sfuso, secondo Usman Javid, dottorando e principale autore dello studio. Questo rende la propagazione della luce estremamente sensibile alle dimensioni della guida d'onda.
In effetti, anche una variazione di pochi nanometri può causare cambiamenti significativi alla fase e alla velocità di gruppo della luce che si propaga attraverso di essa. Di conseguenza, il dispositivo a film sottile dei ricercatori consente un controllo preciso sulla larghezza di banda in cui il processo di generazione della coppia è abbinato allo slancio. "Possiamo quindi risolvere un problema di ottimizzazione dei parametri per trovare la geometria che massimizza questa larghezza di banda", ha affermato Javid.