Il materiale magnetico stratificato CrSBr apre nuove prospettive per collegare processori quantistici e reti ottiche. Il trasferimento di singoli stati quantistici, però, deve ancora essere dimostrato
Un semiconduttore magnetico potrebbe diventare il ponte tra due linguaggi fondamentali delle tecnologie quantistiche: le microonde, utilizzate per controllare numerosi processori, e la luce, ideale per trasportare informazioni su lunghe distanze attraverso le fibre ottiche.
Un gruppo di fisici del City College of New York (CCNY), coordinato da Vinod M. Menon, ha dimostrato che il bromuro solfuro di cromo, indicato con la formula CrSBr, può imprimere sulla luce riflessa da un cristallo un segnale coerente con le microonde applicate.
Il risultato, pubblicato sulla rivista Nature Materials, individua un nuovo meccanismo di conversione tra microonde e luce, basato sull’interazione tra magnetismo e proprietà ottiche all’interno dello stesso materiale.
La ricerca rappresenta un passo interessante verso lo sviluppo di trasduttori destinati alle future reti quantistiche. Non costituisce però ancora una dimostrazione del trasferimento di singoli stati quantistici: per raggiungere questo obiettivo sarà necessario aumentare sensibilmente l’efficienza del processo e ridurre il rumore prodotto durante la conversione.
Perché convertire le microonde in luce
Molte piattaforme di calcolo quantistico funzionano attraverso segnali a microonde, impiegati per controllare e leggere i qubit. Questi segnali sono adatti alle operazioni eseguite all’interno dei processori, ma non rappresentano la soluzione migliore per inviare informazioni su grandi distanze.
La luce, al contrario, può viaggiare nelle fibre ottiche con perdite contenute ed è quindi il mezzo più promettente per collegare dispositivi quantistici collocati in luoghi diversi. Una futura rete quantistica dovrà perciò riuscire a mettere in comunicazione sistemi che operano in intervalli di frequenza molto differenti.
Il dispositivo necessario viene chiamato trasduttore. La sua funzione è trasferire un’informazione da un segnale a microonde a un segnale ottico e, possibilmente, compiere anche il percorso inverso.
La conversione di frequenza è già utilizzata nelle telecomunicazioni tradizionali, ma diventa molto più complessa quando deve preservare un’informazione quantistica estremamente fragile. Un trasduttore quantistico efficace deve infatti combinare un’elevata efficienza con un livello di rumore molto basso. Anche una piccola perturbazione può alterare o distruggere lo stato quantistico da trasmettere.
CrSBr, il semiconduttore magnetico stratificato
Il materiale studiato dai ricercatori del CCNY è il CrSBr, un semiconduttore magnetico formato da strati sovrapposti. La sua particolarità consiste nel riunire nello stesso cristallo proprietà magnetiche e una forte interazione con la luce.
Quando il CrSBr viene sollecitato mediante microonde, i momenti magnetici degli atomi iniziano a oscillare collettivamente. Si generano così onde magnetiche chiamate magnoni, capaci di trasportare energia attraverso il materiale.
Queste oscillazioni modificano a loro volta l’energia degli eccitoni, stati della materia costituiti da un elettrone e dalla relativa lacuna elettronica legati tra loro. Poiché gli eccitoni interagiscono intensamente con la luce, possono funzionare come elemento di collegamento tra la dinamica magnetica prodotta dalle microonde e la risposta ottica del cristallo.
In termini semplici, i magnoni raccolgono l’impronta del segnale a microonde, mentre gli eccitoni consentono di trasferirla alla luce.
Come avviene la conversione del segnale
Durante l’esperimento, un fascio laser è stato diretto sul cristallo di CrSBr mentre il materiale veniva sottoposto a microonde. La luce riflessa ha acquisito una modulazione ottica coerente con il segnale a microonde applicato.
Il processo è reso possibile dalla forte interazione tra luce e materia che si verifica in prossimità delle risonanze degli eccitoni. I ricercatori hanno osservato il fenomeno all’interno di una finestra di frequenze a microonde di circa 300 megahertz.
Hanno inoltre dimostrato che la frequenza operativa può essere regolata mediante un campo magnetico esterno. Questa possibilità rappresenta un elemento importante per la futura progettazione di dispositivi adattabili a differenti piattaforme tecnologiche.
Un risultato ottenuto senza risonatori
Un altro aspetto significativo dello studio riguarda la configurazione sperimentale. La conversione è stata osservata in un cristallo massivo, senza ricorrere a risonatori a microonde o a cavità ottiche progettate per amplificare l’interazione.
Questo ha permesso agli scienziati di analizzare direttamente il meccanismo fisico presente nel materiale. In una fase successiva, l’integrazione del CrSBr in strutture capaci di concentrare i campi elettromagnetici potrebbe rafforzare l’interazione tra microonde, magnoni, eccitoni e luce, aumentando l’efficienza complessiva.
La struttura stratificata del semiconduttore offre inoltre un vantaggio rilevante: il cristallo può essere assottigliato fino a raggiungere pochi strati, conservando le principali proprietà magnetiche e ottiche. Questa caratteristica potrebbe favorire la realizzazione di componenti più compatti e la loro integrazione nei circuiti fotonici.
Le possibili applicazioni nelle reti quantistiche
Il traguardo più ambizioso è creare un’interfaccia capace di collegare computer quantistici e reti ottiche. In uno scenario futuro, processori quantistici separati potrebbero scambiarsi informazioni attraverso fotoni inviati nelle fibre, dando origine a reti distribuite per il calcolo, le comunicazioni protette e la sensoristica avanzata.
Il CrSBr appare interessante perché combina, all’interno di un unico cristallo, magnetismo alle frequenze delle microonde e forti interazioni ottiche. Anche altri materiali magnetici stratificati potrebbero offrire nuove combinazioni di proprietà utili alla progettazione di dispositivi più efficienti.
Tra le direzioni indicate dagli autori figurano l’impiego di risonatori a microonde, cavità ottiche di elevata qualità e strutture costituite da pochi strati di materiale. Un’altra possibilità riguarda gli eccitoni-polaritoni, stati ibridi di luce e materia che potrebbero aiutare a controllare le perdite ottiche.
Si tratta, tuttavia, di sviluppi ancora da verificare sperimentalmente e non di prestazioni già raggiunte.
Il passaggio decisivo è ancora da compiere
Lo studio dimostra la conversione coerente di un segnale a microonde in una risposta ottica, ma non prova ancora che il sistema possa trasferire un singolo stato quantistico senza comprometterlo.
Per trasformare questo principio fisico in un vero trasduttore quantistico serviranno un’efficienza molto più elevata, misure precise del rumore introdotto e la dimostrazione che l’informazione quantistica venga preservata lungo l’intero processo.
Il valore del risultato risiede soprattutto nell’avere identificato un materiale capace di mettere in relazione, in modo controllabile, onde magnetiche, microonde e luce. Se le prestazioni potranno essere migliorate, i semiconduttori magnetici stratificati potrebbero contribuire allo sviluppo delle infrastrutture necessarie per connettere i futuri computer quantistici.
Alla ricerca, coordinata dal City College of New York, hanno partecipato anche studiosi del CUNY Advanced Science Research Center, della Columbia University, dell’University of Chemistry and Technology di Praga, dell’Università di Chicago e della RPTU Kaiserslautern-Landau, in Germania.
