Il controllo degli spin quantistici è uno dei traguardi più importanti per lo sviluppo di computer e reti quantistiche, ma finora è stato ostacolato da un problema cruciale: il rumore magnetico dei nuclei atomici, che compromette la stabilità delle informazioni. Un gruppo di ricercatori dell’Università di Basilea e della Ruhr-Universität Bochum ha sviluppato una soluzione innovativa, combinando impulsi laser calibrati con una tecnica di raffreddamento degli spin nucleari. Per la prima volta è stato possibile controllare otticamente lo spin di una singola lacuna elettronica in una microcavità, aprendo nuove prospettive per la comunicazione e il calcolo quantistico.
Punti quantici e microcavità: la sfida del controllo ottico
I punti quantici sono nanostrutture semiconduttrici che intrappolano elettroni o lacune elettroniche in livelli energetici discreti, agendo come veri atomi artificiali. Inseriti in microcavità ottiche, possono generare singoli fotoni su richiesta, un requisito fondamentale per le reti quantistiche. La sfida principale è stata creare un’interfaccia efficiente tra spin e fotoni, ostacolata dal disturbo magnetico dei nuclei atomici del semiconduttore.
Il laboratorio guidato da Mark R. Hogg e Richard J. Warburton ha sviluppato una tecnica basata su microcavità “aperte”, che già garantisce un’elevata efficienza nella generazione di fotoni singoli. Il passo successivo è trasformare queste sorgenti in generatori di fotoni entangled, indispensabili per applicazioni più avanzate.
Il processo Raman e l’innovazione tecnologica
Per controllare lo spin, gli scienziati hanno utilizzato il fenomeno del blocco coulombiano per stabilizzare una singola lacuna in un punto quantico. Successivamente hanno inizializzato lo spin con un processo di pompaggio ottico, per poi manipolarlo usando il cosiddetto processo Raman. Due laser con frequenze leggermente inferiori alla risonanza del sistema hanno permesso di indurre transizioni controllate tra diversi stati di spin, evitando eccitazioni indesiderate.
La scoperta più sorprendente riguarda la riduzione del rumore magnetico durante la rotazione dello spin. Sebbene fossero note tecniche simili per gli spin elettronici, non era chiaro se lo stesso fosse possibile per le lacune elettroniche. I risultati hanno mostrato che questa strategia funziona particolarmente bene, migliorando la coerenza quantistica e aprendo nuove applicazioni pratiche.
Prospettive future e applicazioni pratiche
L’approccio combina due progressi chiave: il controllo ottico degli spin e l’estensione dei tempi di coerenza. Questi risultati sono fondamentali per la creazione di stati cluster quantistici, considerati risorse essenziali per il calcolo quantistico fotonico.
Il prossimo obiettivo sarà generare fotoni entangled con elevata fedeltà e comprendere meglio come gli spin delle lacune riducano il rumore nucleare. Altri gruppi stanno già lavorando su stati cluster, ma questa tecnologia potrebbe migliorare le prestazioni fino a renderle adatte per applicazioni pratiche. Un passo che porta più vicino la prospettiva di computer quantistici basati sulla luce, capaci di affrontare problemi oggi irrisolvibili.
