Politecnico di Milano e CNR aprono la nuova frontiera della fotonica quantistica. Uno studio pubblicato su Nature Photonics dimostra che sequenze laser ultrabrevi possono elaborare informazioni a frequenze oltre cento volte superiori ai dispositivi elettronici tradizionali
Il futuro dei computer potrebbe essere letteralmente alla velocità della luce. Utilizzare impulsi luminosi ultrabrevi non solo per trasmettere informazioni, ma anche per elaborarle e trasformarle in operazioni logiche, è la nuova frontiera aperta da uno studio pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica Nature Photonics.
La ricerca è stata condotta da un team del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, in collaborazione con l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del Consiglio Nazionale delle Ricerche (Cnr-Ifn) e con diversi centri di ricerca internazionali.
Il progetto è coordinato dal fisico Giulio Cerullo, insieme ai docenti Stefano Dal Conte e Margherita Maiuri, ai ricercatori Francesco Gucci – primo autore dello studio – e Mattia Russo, mentre per il Cnr-Ifn ha partecipato il ricercatore Franco Camargo.
Computer del futuro: elaborazione dell’informazione con impulsi di luce
Lo studio rappresenta un passo significativo verso una nuova generazione di tecnologie di elaborazione dell’informazione ultrarapide, potenzialmente centinaia di volte più veloci rispetto ai computer attuali.
Oggi i computer funzionano grazie al movimento delle cariche elettriche nei transistor, un processo che presenta limiti fisici difficili da superare quando si cerca di aumentare ulteriormente la velocità dei dispositivi elettronici.
Il nuovo approccio, invece, sfrutta la luce per manipolare direttamente lo stato degli elettroni all’interno dei materiali, senza spostare fisicamente le cariche elettriche. Questo consente di operare a frequenze estremamente elevate.
Come spiega il coordinatore della ricerca, Giulio Cerullo del Politecnico di Milano: “Abbiamo dimostrato che la luce può essere utilizzata non solo per trasmettere informazione, ma anche per elaborarla. Grazie a impulsi laser ultrabrevi possiamo controllare gli stati quantistici della materia su scale temporali di pochi femtosecondi, cioè alle stesse frequenze di oscillazione della luce, finora inaccessibili all’elettronica”.
Le operazioni logiche ottenute nel laboratorio avvengono infatti a frequenze superiori a 10 terahertz, oltre cento volte più elevate rispetto ai migliori dispositivi elettronici oggi disponibili.
Il ruolo del disolfuro di tungsteno nei nuovi dispositivi fotonici
Per realizzare questo risultato, i ricercatori hanno utilizzato un innovativo semiconduttore bidimensionale, il disolfuro di tungsteno (WS₂), spesso appena tre strati atomici.
In questo materiale, grazie a particolari fenomeni quantistici legati alla sua struttura nanometrica, gli elettroni possono occupare due stati quantistici distinti chiamati “valli”.
Queste valli possono essere utilizzate come una nuova unità di informazione – analoga allo zero e uno dei computer tradizionali – ma con un controllo molto più rapido grazie alla luce.
Attraverso una sequenza precisa di impulsi laser della durata di pochi femtosecondi, i ricercatori sono riusciti a:
- accendere l’informazione
- spegnerla
- amplificarla
realizzando così operazioni logiche complete, analoghe a quelle dei circuiti elettronici ma a velocità enormemente superiori.
Un aspetto particolarmente importante è che l’esperimento è stato condotto a temperatura ambiente, utilizzando impulsi luminosi già disponibili nei laboratori di ricerca avanzata.
Verso una nuova generazione di computer ultrarapidi
Lo studio ha anche permesso di misurare la stabilità temporale dell’informazione quantistica nel materiale, un parametro fondamentale per lo sviluppo di future tecnologie di calcolo basate sulla luce.
Secondo Franco Camargo del Cnr-Ifn, questa ricerca rappresenta una dimostrazione di principio destinata ad aprire nuove sfide scientifiche e tecnologiche.
“In prospettiva questa dimostrazione apre nuove sfide per realizzare dispositivi competitivi basati su questo principio, dalla creazione di sequenze di impulsi sempre più complesse alla possibilità di aumentare il numero di bit in dispositivi realistici”.
Il superamento di questi limiti potrebbe portare alla nascita di una nuova classe di dispositivi logici ultrarapidi, capaci di trasformare la fotonica quantistica in una tecnologia concreta per i computer del futuro.
