Un Commutatore ottico di singoli fotoni

Un ulteriore passo avanti nello studio del parallelismo tra sistemi fotonici integrati e circuiti microelettronici viene da una ricerca, pubblicata sulla rivista Nature Physics, frutto della collaborazione tra Rosario Fazio e Vittoria Giovannetti della Scuola Normale Superiore di Pisa, Dario Gerace, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica “Volta” dell’Università di Pavia, Hakan Tureci e Atac Imamoglu del Politecnico di Zurigo.

La ricerca fondamentale in Fisica dei semiconduttori è rivolta oggi ad analizzare fenomeni emergenti nel processo di miniaturizzazione dei circuiti microelettronici, che sono componenti essenziali, ad esempio, dei personal computer che utilizziamo quotidianamente. Tra breve, effetti quanto-meccanici dovuti alle interazioni tra singoli elettroni dovranno essere opportunamente considerati nella progettazione dei futuri dispositivi. In questo contesto, esiste un crescente interesse verso l’individuazione di alternative alla tecnologia elettronica oggi in uso. Particolare attenzione e rivolta allo sviluppo di schemi in cui i segnali elettrici (correnti, tensioni) attualmente utilizzati per trasmettere, immagazzinare e processare l’informazione vengano rimpiazzati da opportuni segnali luminosi (fotonica integrata).

In tale ambito, gli autori della ricerca hanno mostrato come la tecnologia moderna sia ormai matura per costruire dispositivi in cui la comunicazione di segnali ottici tra due canali fotonici adiacenti possa essere controllata dalla presenza di un singolo fotone tra di essi. La scoperta si basa sulla possibilità che i fotoni, ovvero le particelle di luce, possano fortemente interagire tra di loro se intrappolati in una regione di spazio molto piccola (dell’ordine della loro lunghezza d’onda) in un opportuno mezzo non-lineare.

Questo dispositivo funzionerebbe, in sostanza, come un commutatore ottico controllato da singole particelle di luce. Dato l’enorme impatto che analoghi dispositivi elettronici hanno dato allo sviluppo della microelettronica, ci si aspetta che il dispositivo fotonico proposto possa un giorno costituire un elemento fondamentale di un circuito integrato completamente ottico. Tali circuiti potrebbero in futuro essere alla base di un computer quantistico.

The quantum-optical Josephson interferometer, D. Gerace, H.E. Tureci, A. Imamoglu,

V. Giovannetti, R. Fazio, Nature Physics, DOI:10.1038/nphys1223.

Rosario Fazio è docente di Fisica della Materia alla Normale di Pisa, ha insegnato anche alla SISSA (Trieste) e presso l’Università di Catania. Si occupa principalmente di informazione quantistica e di fisica delle nanostrutture.

Vittorio Giovannetti è ricercatore a tempo determinato alla Normale di Pisa. Le sue ricerche sono nell’ambito dell’ottica quantistica e dell’informazione quantistica