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La memoria quantistica è un importante elemento costitutivo da affrontare nella costruzione di un Internet quantistico, in cui le informazioni quantistiche vengono archiviate e inviate in modo sicuro tramite fotoni o particelle di luce.
I ricercatori del Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge, in collaborazione con i colleghi dell'UT Sydney in Australia, hanno identificato un materiale bidimensionale, il nitruro di boro esagonale, che può emettere singoli fotoni da difetti su scala atomica nella sua struttura a temperatura ambiente.
I ricercatori hanno scoperto che la luce emessa da questi difetti isolati fornisce informazioni su una proprietà quantistica che può essere utilizzata per memorizzare informazioni quantistiche, chiamate spin, il che significa che il materiale potrebbe essere utile per applicazioni quantistiche. È importante sottolineare che lo spin quantistico è accessibile tramite luce e a temperatura ambiente.
La scoperta potrebbe eventualmente supportare reti quantistiche scalabili costruite con materiali bidimensionali in grado di funzionare a temperatura ambiente. I risultati sono riportati sulla rivista Nature Communications.
Le future reti di comunicazione utilizzeranno singoli fotoni per inviare messaggi in tutto il mondo, il che porterà a tecnologie di comunicazione globali più sicure.
I computer e le reti costruiti sui principi della meccanica quantistica sarebbero sia molto più potenti che più sicuri delle tecnologie attuali. Tuttavia, al fine di rendere possibili tali reti, i ricercatori devono sviluppare metodi affidabili per generare singoli fotoni indistinguibili come portatori di informazioni attraverso reti quantistiche.
"Possiamo inviare informazioni da un luogo all'altro usando i fotoni, ma se abbiamo intenzione di costruire reti quantistiche reali, dobbiamo inviare informazioni, archiviarle e inviarle da qualche altra parte", ha spiegato la dott.ssa Hannah Stern del Cavendish Laboratory di Cambridge, co-primo autore dello studio, insieme a Qiushi Gu e al dottor John Jarman. "Abbiamo bisogno di materiali in grado di trattenere le informazioni quantistiche per un certo periodo di tempo a temperatura ambiente, ma la maggior parte delle attuali piattaforme di materiali che abbiamo sono difficili da realizzare e funzionano bene solo a basse temperature".
Il nitruro di boro esagonale è un materiale bidimensionale che viene coltivato per deposizione chimica da vapore in grandi reattori. È economico e scalabile. Recenti sforzi hanno rivelato la presenza di singoli emettitori fotonici e la presenza di un insieme denso di spin otticamente accessibili, ma non interfacce spin-fotone isolate individualmente che operano in condizioni ambientali.
"Di solito, è un materiale piuttosto noioso che viene normalmente utilizzato come isolante", ha affermato Stern, che è un Ricercatore Junior al Trinity College. "Ma abbiamo scoperto che ci sono difetti in questo materiale che possono emettere singoli fotoni, il che significa che potrebbe essere usato nei sistemi quantistici. Se riusciamo a fargli memorizzare le informazioni quantistiche in spin, allora è una piattaforma scalabile".
Stern e i suoi colleghi hanno installato un campione di nitruro di boro esagonale vicino a una piccola antenna d'oro e un magnete di forza impostata. Sparando un laser sul campione a temperatura ambiente, sono stati in grado di osservare molte diverse risposte dipendenti dal campo magnetico sulla luce emessa dal materiale.
I ricercatori hanno scoperto che puntando il laser sul materiale, erano in grado di manipolare lo spin, o momento angolare intrinseco, dei difetti e utilizzare i difetti come un modo per memorizzare le informazioni quantistiche.
"In genere, il segnale è sempre lo stesso in questi sistemi, ma in questo caso, il segnale cambia a seconda del particolare difetto che stiamo studiando, e non tutti i difetti mostrano un segnale, quindi c'è ancora molto da scoprire", ha dichiarato il co-primo autore Qiushi Gu.
Il professor Mete Atature, che ha supervisionato il lavoro, ha aggiunto che una volta che sono stati identificati "spin isolati otticamente accessibili a temperatura ambiente in questo materiale, i prossimi passi saranno comprendere la loro fotofisica in dettaglio ed esplorare i regimi operativi per possibili applicazioni tra cui l'archiviazione delle informazioni e il rilevamento quantistico.