Introduzione alla comunicazione quantistica e al ruolo dei materiali

La comunicazione quantistica sfrutta le leggi della meccanica quantistica per consentire il trasferimento di dati sicuro, teoricamente immune alla intercettazione. A differenza della crittografia classica, che si basa sulla complessità matematica, la distribuzione di chiavi quantistiche (QKD) utilizza gli stati monofotonici per rilevare l'intercettazione.

Realizzare un Internet quantistico globale richiede componenti che generano, manipolano, memorizzano e rilevano stati quantici con alta fedeltà. Nessun singolo materiale soddisfa tutte le esigenze; quindi, i ricercatori stanno indagando su una serie diversificata di piattaforme, ogni offrendo trade-off unici. Il campo si sta evolvendo rapidamente, con innovazioni nella sintesi dei materiali, nell'ingegneria dei difetti e nell'integrazione ibrida che apre nuove vie.

Superconduttori Materiali

I superconduttori sono stati a lungo un punto di riferimento delle tecnologie quantistiche grazie alla loro capacità di condurre l'elettricità senza resistenza e di supportare gli stati quantistici macroscopici. Nella comunicazione quantistica, vengono utilizzati principalmente per i rivelatori monofoto, le memorie quantistiche e gli elementi QED del circuito.

Superconduttori ad alta temperatura

I superconduttori convenzionali come il niobio richiedono raffreddamento criogenico a temperature prossime a 4 K, che aggiunge costi e complessità significativi. I superconduttori ad alta temperatura (HTS) come l'ossido di rame di yttrium barium (YBCO) e l'ossido di rame strontium di biossido di calcio (BSCCO) possono operare a temperature di azoto liquido (77 K) o anche più elevate.

Nonostante questi progressi, rimangono sfide. I materiali HTS espongono l'anisotropia e la granularità che possono introdurre il rumore e modellarli in dispositivi nanoscala richiede un'attenta ottimizzazione del processo. Il lavoro in corso mira a migliorare l'uniformità del film e ridurre i difetti attraverso l'ingegneria dei livelli tampone e le tecniche di deposizione laser pulsate.

Giunti di Josephson e Circuito QED

I sistemi di sovraconduzione sono i blocchi di qubits superconduttivi e gli amplificatori parametrici utilizzati nella comunicazione quantistica. Infilando una sottile barriera isolante tra due superconduttori, si pone una induttanza non lineare che consente il controllo dello stato del qubit.

Deposizione e scalabilità del Thin-Film

La scala dei componenti superconduttori da singoli dispositivi a circuiti integrati richiede una precisa deposizione del film su aree su scala wafer. Tecniche come l'epitassi del fascio molecolare, lo sputtering e la deposizione dello strato atomico sono raffinate per produrre film omogenei con densità di basso difetto. La capacità di integrare monoliticamente i rivelatori di superconduttori con le guide on-chip fotoniche è una pietra miliare chiave verso la scala quantistica compatta.

Materiali a due dimensioni (2D)

La famiglia di materiali bidimensionali, caratterizzati da strati atomicamente sottili tenuti insieme dalle forze van der Waals, offre notevoli proprietà ottiche ed elettroniche per i fotonici quantici. La loro estrema matita' riduce il volume di modalità delle strutture fotoniche, mentre la loro forte interazione con la luce-materia consente un'emissione efficiente di fotoni e effetti ottici non lineari. Inoltre, i materiali 2D possono essere impilati eterogeneamente per creare sistemi quantistici di design.

Grafene

Il grafico è un unico strato di atomi di carbonio, è un semimetal con mobilità ultraalveare e assorbimento ottico a banda larga. Nella comunicazione quantistica, il grafo è utilizzato per i modulatori elettro-ottica ad alta velocità e per i rivelatori di monofotono.

I plasmi di grafine offrono inoltre un percorso per il confinamento profondo della luce della lunghezza d'onda, consentendo circuiti quantistici ultracompatti. I ricercatori hanno dimostrato che i nanoribbons del grafino possono ospitare plasmons del bordo che conservano la coerenza quantistica sulle distanze micron, potenzialmente servendo come bus per informazioni quantistiche.

Dichalcogenides in metallo di transizione (TMD)

I monostrato TMD come il disolfuro molibdeno (MoS2), il disolfuro di tungsteno (WS2) e il diselenide di tungsteno (WSe2) sono semiconduttori a banda diretta con una forte emissione eccitonica.

Un’altra proprietà unica dei TMD è la polarizzazione della valle, dove il grado di libertà della valle del vettore può essere utilizzato come un bit quantistico.

Borone esagonale Nitride (hBN)

I sistemi di comunicazione monospaziale esagonale sono i seguenti: nitruro, materiale 2D isolante, ospita una varietà di difetti atomici che agiscono come emettitori mono-fotoni luminosi e stabili attraverso ultravioletti, visibili e lunghezze d'onda quasi infrarate.

L'integrazione di emettitori hBN con guide fotoniche in silicio e risuonatori ad anello è stata dimostrata, consentendo il routing on-chip della luce quantistica. Tuttavia, il controllo della lunghezza d'onda di emissione e la riduzione della diffusione spettrale rimangono sfide.

Sfide di integrazione per i materiali 2D

Mentre i materiali 2D offrono prestazioni eccezionali, la loro integrazione su larga scala nei componenti di comunicazione quantistica affronta ostacoli. Le tecniche di trasferimento come l'esfoliazione meccanica e la deposizione chimica del vapore (CVD) producono fiocchi con qualità e dimensioni variabili. Anche se CVD può crescere monostrato su scala wafer, policristallinity e difetti degradare le prestazioni del dispositivo.

Insulatori Topologici

Gli isolatori topologici (TIs) sono una classe di materiali che isolano nella loro massa ma conducono l'elettricità attraverso gli stati superficiali topologici protetti. Questi stati superficiali sono immuni al backscattering da impurità non magnetiche, rendendoli attraenti per mantenere la coerenza quantistica.

Piattaforme di materiale: Bi2Se3, Bi2Te3, e Sb2Te3

Gli isolatori topologici più studiati sono il selenide bismuto (Bi2Se3), la telluride bimuta (Bi2Te3) e la telluride antimonio (Sb2Te3). Questi materiali hanno bandgaps di circa 0.3 eV, consentendo transizioni ottiche nell'infrarosso.

Prevenzioni Topologicamente Protette

La robustezza degli stati superficiali suggerisce anche la possibilità di qubit protetti topologicamente, dove le informazioni quantistiche vengono memorizzate nella parità delle modalità Majorana zero. Mentre la ricerca di Majorana si è concentrata sui sistemi ibridi semiconduttori-superconduttori, gli isolatori topologici abbinati a superconduttori possono ospitare anche le modalità Majorana.

Sfide nell'integrazione e nella crescita

La pratica distribuzione di isolatori topologici nei dispositivi di comunicazione richiede film sottili di alta qualità con bassa conducibilità di massa. I difetti di massa spesso contribuiscono a percorsi di conduzione paralleli che mascherano gli stati di superficie. L'epitassi di fascio molecolare ha raggiunto i film con riduzione di massa soppressa compensando i difetti di silicio, ma la scalabilità è limitata.

Sistemi di base difetti: Carburo di Diamante e Silicio

I difetti su scala atomica nei semiconduttori a larga banda sono emersi come candidati leader per memorie quantiche e ripetitori. Il centro di vacancy (NV) azoto nel diamante è la piattaforma più matura, ma i centri di colore nel carburo di silicio (SiC) e altri materiali stanno guadagnando trazione a causa della loro compatibilità con la produzione di semiconduttore.

Centri di azoto-Vacancy (NV) in Diamante

I centri NV in diamante sono difetti di punto costituiti da un atomo di azoto sostituzionale adiacente ad un sito di reticolo vacante. Hanno lunghi tempi di coerenza elettroni (fino a millisecondi a temperatura ambiente) e l'indirizzabilità ottica, rendendoli ideali per ricordi quantici in ripetitori quantistici. Lo stato di rotazione di un centro NV può essere inglobato con un fotone, consentendo la comunicazione quantistica su lunghe distanze.

Le sfide includono la bassa frazione di centri NV che sono otticamente efficienti (solo circa il 3-5 % dei centri creati sono utilizzabili) e la difficoltà a produrre wafer di diamanti di grandi dimensioni. Il lavoro su impianto di diamanti e ioni a vapore chimico con successiva ricottura ha migliorato la resa. L'integrazione dei centri NV con guide fotoniche d'onda e cavità in diamante ha prodotto memorie quantistiche su chip con tempi di archiviazione superiori a secondi.

Color Centers in Silicon Carbide (SiC)

SiC è un semiconduttore maturo con processi di fabbricazione ben consolidati. Diversi centri di colore, come i centri di vacancy (VSi) e divacancy (VVV), presentano proprietà simili ai centri NV, ma con lunghezze d'onda di emissione utilizzate nei quasi infrarosso (circa 900-1100 nm), che si allineano con le finestre di trasmissione della fibra O-band.

Le recenti manifestazioni includono emettitori monofotonici a SiC a temperatura ambiente, anche se la coerenza della rotazione è attualmente limitata alle condizioni criogeniche. I ricercatori stanno esplorando la purificazione isotopica per ridurre il rumore della rotazione nucleare, mirando al funzionamento della temperatura ambiente.

Cristalli ad alta intensità

Un'altra classe di sistemi basati su difetti si basa su ioni a terra rara (ad esempio, erbium, neodimio, praseodymium) incorporati in host cristallini come yttrium orthosilicate (Y2SiO5) o niobate di litio. Questi materiali presentano una stretta larghezza di linea ottica e una lunga coerenza di rotazione a temperature criogeniche, rendendoli adatti a particolari ricordi quantistici.

La lavorazione di film sottili con elevata qualità ottica e basso rumore di fondo rimane impegnativa. I metodi di impianto e co-doping ioni vengono raffinati per ottenere un doping uniforme senza degradare il cristallo ospite. La combinazione di dopanti con cavità di cristallo fotonico ha prodotto dispositivi che possono memorizzare e recuperare singoli fotoni a richiesta.

Punti quantistici

I punti quantistici semiconduttori (QD) sono tra le fonti monofoto più performanti, che mostrano efficienza quasi unità, indistingubilità e un elevato grado di entanglement.

Per la comunicazione quantistica, la capacità di produrre fotoni indistinguibili è essenziale per le interferenze e la fasciatura di Hong‐Ou‐Mandel. I QD di livello superiore al 98% possono ottenere visibilità di interferenza di due fotoni. Inoltre, i QD possono essere utilizzati per generare coppie di fotoni entangled tramite la cascata di biexciton-exciton, fornendo una fonte deterministica di polarizzazione.

La limitazione principale dei QD è la necessità di un funzionamento criogenico (tipicamente inferiore a 10 K) e la distribuzione statistica delle lunghezze d'onda delle emissioni a causa delle variazioni di crescita. La sintonizzazione post-crescita attraverso campi elettrici o di tensione, e tecniche come la fluorescenza di risonanza, sono utilizzate per affrontare i singoli QD. L'integrazione dei QD con circuiti fotonici in silicio è un'area attiva, con il progresso nella stampa di trasferimento e nella legatura di ondulazione.

Cristalli fotonici e Metamateriali

I cristalli fotonici e i metamateriali non sono materiali per se, ma strutture ingegnerizzate che controllano la luce sulla scala della lunghezza d'onda. Sono essenziali per migliorare l'interazione della materia luminosa nei componenti di comunicazione quantistica. Le cavità di cristallo fotonico possono limitare la luce ad un volume di modalità di (λ/2)3, aumentando il tasso di emissione spontanea di emettitori quantici incorporati tramite l'effetto Purcell.

I metamateriali con dispersione su misura, come i metamateriali iperbolici, possono guidare gli stati quantistici con estrema anisotropia. Essi sono esplorati per il rilevamento a banda larga di monofotono e il trasferimento di calore radiante super-planckiano nelle memorie quantistiche.

Sfide e direzioni future

Nonostante i progressi notevoli, i materiali emergenti affrontano diverse sfide comuni che devono essere affrontate per realizzare componenti di comunicazione quantistica pratica. La stabilità dei materiali in condizioni operative, sia criogeniche che in temperatura ambiente, è una preoccupazione primaria. Molti materiali 2D e centri difetti soffrono di deriva in lunghezza d'onda di emissione o coerenza di rotazione nel tempo.

La ricerca futura è probabilmente incentrata sui sistemi ibridi che sfruttano i punti di forza di materiali multipli. Ad esempio, combinando un rivelatore di superconduttori veloce con una memoria a vita rara lunga potrebbe consentire ripetitori quantici efficienti. Analogamente, van der Waals eterostrutture, che stacking diversi materiali 2D, offrono la possibilità di progettare le proprietà elettroniche e ottiche personalizzate da terra a terra.

Lo sviluppo di emettitori quantistici a temperatura ambiente rimane un obiettivo fondamentale, poiché l'infrastruttura criogenica è spesso la principale barriera all'implementazione. hBN e alcuni nanocristalli perovskite mostrano promessa in questa direzione. Allo stesso tempo, i progressi nella miniaturizzazione criocooler possono ridurre l'impatto delle basse temperature. La convergenza della comunicazione quantistica con le telecomunicazioni classiche - soprattutto attraverso l'uso di tecniche di emittenti a frequenza-conversione di rete di rete di rete di rete di rete di rete di rete

Infine, la comunità sta spingendo verso dimostrazioni di livello di sistema, come reti quantistiche multi-nodi in tutte le aree metropolitane, che portano alla maturazione delle piattaforme materiali rivelando modalità di guasto e strozzature di performance.

Le risorse esterne che forniscono ulteriore profondità includono le recensioni su dispositivi quantici , materiali bidimensionali per i fotonici quantici, e centri difetti per le reti quantistiche]].