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Quantum dot made in Italy: un passo in avanti per le tecnologie quantistiche

L’innovativo metodo per la fabbricazione di punti quantici, sviluppato da un team di giovani ricercatori italiani, rappresenta un passo in avanti sulla lunga strada verso la realizzazione del computer quantistico. Lo studio è pubblicato sulla rivista Advanced Materials

Un innovativo metodo per la realizzazione di quantum dot (QD, letteralmente “punti quantici”) con posizione controllata, è stato recentemente proposto dai ricercatori della Sapienza, dell’Università di Firenze e dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN) del CNR.

Lo studio, condotto nell’ambito del progetto FIRB “DeLIGHTeD”, coordinato da Marco Felici del Dipartimento di Fisica della Sapienza, ha aggiunto un ulteriore tassello verso la rivoluzione dell’informazione quantistica. I risultati sono pubblicati sulla rivista Advanced Materials.

I quantum dot sono agglomerati di materiale semiconduttore del raggio di qualche nanometro (1 nm=un miliardesimo di metro). Le loro proprietà sono strettamente collegate alle loro piccole dimensioni, nel senso che i portatori di carica (per esempio, gli elettroni) localizzati al loro interno risentono fortemente del fatto di essere “costretti” in una regione ben definita dello spazio (confinamento), e presentano quindi dei fenomeni di tipo quantistico.

“Quando a un QD viene fornita energia – spiega Marco Felici – per esempio mediante radiazione luminosa o tramite impulsi elettrici, il sistema passa a uno stato eccitato, dal quale successivamente decade attraverso l’emissione di luce, o meglio di fotoni. Eccitando un QD nel modo opportuno è possibile prepararlo in modo da fargli emettere un singolo fotone per ogni impulso di eccitazione: tale capacità riveste un particolare interesse applicativo, soprattutto in vista del possibile utilizzo dei fotoni singoli come "quantum bit” (qubit) nei protocolli di computazione e informazione quantistica.

L’informazione classica, su cui si basano gli odierni computer, utilizza i bit: le cifre binarie che vengono assegnate, con i valori 0 e 1, a due stati di un sistema facilmente distinguibili, come viene fatto a esempio per un segnale di tensione basso (0) e uno alto (1). L'informazione quantistica, invece, si basa sui qubit (quantum-bit): dopo aver assegnato a due stati di un sistema quantistico (a esempio, un singolo fotone) i valori 0 e 1, si sfrutta il fatto che tali sistemi possono trovarsi anche in una combinazione di stati (per esempio al 30% nello stato 0 e al 70% nello stato 1).

“Questo – commenta Felici – offre la possibilità di immagazzinare un numero di informazioni che è esponenzialmente più alto rispetto al sistema classico. Inoltre, l’uso di algoritmi quantistici rende molto più efficiente la soluzione di problemi estremamente difficili da gestire per i computer classici, come per esempio la fattorizzazione di numeri interi a molte migliaia di cifre, sui quali si basano i protocolli crittografici attualmente utilizzati nell’ambito della sicurezza informatica”.

Lo sviluppo di computer quantistici autenticamente superiori alla loro controparte classica dovrà però probabilmente passare per la realizzazione di circuiti fotonici integrati (analoghi ai circuiti integrati su cui sono basati i computer classici) in grado di gestire operazioni basate su un alto numero di qubit. I QD realizzati col metodo proposto dai ricercatori italiani sono dei candidati ideali per la generazione “on chip” di questi qubit: oltre a poter emettere singoli fotoni “a richiesta” (per esempio in risposta a un impulso elettrico), infatti, essi possono essere collocati nel dispositivo con precisione migliore di 100 nm, pienamente compatibile con i circuiti fotonici.

 

Riferimenti:

SiteControlled SinglePhoton Emitters Fabricated by NearField Illumination - Francesco Biccari, Alice Boschetti, Giorgio Pettinari, Federico La China, Massimo Gurioli, Francesca Intonti, Anna Vinattieri, MayankShekhar Sharma, Mario Capizzi - Advanced Materials First published: 02 April 2018 https://doi.org/10.1002/adma.201705450

 

Info

Marco Felici
Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma
marco.felici@uniroma1.infn.it

 

Mercoledì, 04 luglio 2018

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