Un recente studio teorico firmato da un team internazionale, che coinvolge anche il CNR-INO, propone un metodo innovativo per generare coppie di fotoni entangled nel dominio delle microonde.

Pubblicato su PRX QUANTUM e segnalato da Physics Magazine dell’American Physical Society, il lavoro apre scenari inediti per le tecnologie quantistiche.

L’entanglement quantistico — un legame profondo tra particelle, inspiegabile secondo la fisica classica — è alla base della prossima rivoluzione tecnologica nei campi della comunicazione, della computazione e della metrologia. Finora, la produzione controllata di coppie di fotoni entangled era principalmente confinata all’ambito ottico. Il nuovo studio propone invece di sfruttare le cosiddette coppie di Cooper — coppie di elettroni entangled nei superconduttori — per generare entanglement tra fotoni a microonde.

Il cuore della proposta è un dispositivo nanometrico che unisce superconduttori, punti quantici e circuiti fotonici: una vera architettura ibrida integrabile su chip. Utilizzando splitter di coppie di Cooper basati su doppi punti quantici, il sistema separa una coppia di elettroni in due canali distinti, inducendo l’emissione simultanea di due fotoni entangled in frequenza.

Per capire meglio l’importanza di questo studio, i giornalisti di Physics Magazine hanno posto alcune domande a Gianluca Rastelli, ricercatore del CNR-INO, che riportiamo in parte di seguito.

Cosa ha motivato questo studio?

L’entanglement è un legame speciale tra parti di un sistema quantistico ed è essenziale per molte tecnologie quantistiche. Trasferire questa connessione tra oggetti diversi, come elettroni e fotoni, è cruciale per sviluppare dispositivi quantistici.

Voi proponete un metodo per generare coppie entangled di fotoni nel microonde a partire da coppie di Cooper. È corretto?

Sì, è corretto. Il nostro lavoro si basa su due concetti chiave:

• I superconduttori contengono coppie di elettroni entangled (coppie di Cooper). Queste possono essere separate spazialmente tramite “Cooper pair splitters” mantenendo l’entanglement. Studi precedenti hanno esaminato questa possibilità misurando correnti elettriche in circuiti nanometrici.
• Nel nostro studio abbiamo considerato questi nanodispositivi superconduttori accoppiati a sistemi fotonici quantistici nel microonde. A differenza dei fotoni ottici, i fotoni a microonde non viaggiano liberamente e devono essere guidati in circuiti elettronici su chip. Il nostro proposal è stato ispirato dai recenti progressi nella nanofabbricazione, che permettono di integrare componenti superconduttrici con dispositivi fotonici quantistici.

Qual è, secondo voi, il principale avanzamento presentato nel vostro articolo?

Finora non è stato possibile osservare direttamente l’entanglement di una singola coppia di Cooper di un condensato BCS. Il nostro schema mira a superare questa sfida, offrendo un modo per accedere a questo aspetto fondamentale della superconduttività. Rispetto a schemi teorici del passato, basati su misure complesse di trasporto di carica o spin, il nostro schema  trasferisce l’entanglement dagli elettroni ai fotoni, per i quali esistono tecniche affidabili di rilevamento. Inoltre, la proposta potrebbe offrire un nuovo strumento per esplorare stati quantistici più complessi, come quelli presenti nella superconduttività topologica o non convenzionale, dove l’entanglement elettronico assume forme diverse. 

Perché tu e il team siete entusiasti dei vostri risultati? E ​​come pensate che verranno utilizzati dagli altri?

Il nostro approccio integra componenti avanzate di sistemi quantistici nanometrici, unendo nanocontatti superconduttori, punti quantici a semiconduttore e dispositivi a microonde.
Abbiamo individuato possibili criticità e rischi, e mostrato che superarli richiede tecniche di nanofabbricazione all’avanguardia. Crediamo che questo lavoro apra la strada a futuri studi sperimentali su questa architettura ibrida.

C’è qualcos’altro che ritieni importante sapere sul lavoro?

Oltre a presentare la nostra proposta, offriamo una panoramica sulle ricerche attive nei nanocircuiti quantistici ibridi (semiconduttori-superconduttori) e sulla fotonica quantistica a microonde. Discutiamo alcune delle principali sfide aperte e il potenziale di questi sistemi per future applicazioni quantistiche.

Questo approccio potrebbe rendere possibile, per la prima volta, la verifica sperimentale dell’entanglement in una singola coppia di Cooper, un obiettivo finora inaccessibile per la comunità scientifica.

Il lavoro sviluppa una proposta teorica nata dalla stretta collaborazione tra due teorici – Gianluca Rastelli (CNR-INO) e Michele Governale (Victoria University of Wellington, New Zealand) – e due sperimentali – Pasquale Scarlino (EPFL, Losanna, CH) e Christian Schönenberger (University of Basel, CH).

L’importanza di questo lavoro risiede anche nella sua visione a lungo termine: portare la fotonica quantistica nel regime delle microonde al livello di maturità raggiunto da quella ottica. Questo permetterebbe lo sviluppo di nuove architetture di calcolo quantistico, di sensori ultra-sensibili e di reti di comunicazione sicura completamente integrabili su chip.

Per approfondire:

https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.6.020339

https://physics.aps.org/articles/v18/s70