interferometro di josephson ottico: verso un computer fotonico

INTERFEROMETRO DI JOSEPHSON OTTICO:
VERSO UN COMPUTER FOTONICO
I fotoni sono i quanti del campo elettromagnetico, e si comportano come particelle interagenti se, ad
esempio, intrappolati in mezzi fortemente non-lineari. Pertanto, è possibile pensare a dispositivi
quantistici che emulino i loro corrispettivi elettronici, ma funzionino con le particelle di luce, come ha
mostrato una collaborazione che coinvolge ricercatori dell’unità CNISM e il Dipartimento di Fisica
dell’Università di Pavia, della Scuola Normale Superiore di Pisa, e del Politecnico (ETH) di Zurigo.
La ricerca sarà pubblicata su Nature Physics∗ .
I personal computer che utilizziamo quotidianamente funzionano grazie ad un insieme di proprietà fondamentali che coinvolgono la natura delle particelle deputate alla trasmissione di informazione mediante segnali elettrici, ovvero gli elettroni. La ricerca fondamentale in fisica dei semiconduttori è oggi rivolta alla crescente miniaturizzazione dei circuiti microelettronici, in cui le proprietà
quantistiche dei singoli elettroni devono essere opportunamente tenute in conto nella progettazione
dei futuri dispositivi. In questo contesto, esiste un crescente interesse verso l’individuazione di alternative alla tecnologia elettronica, e particolare attenzione è 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”). Tra
i vantaggi di una simile rivoluzione tecnologica, possiamo elencare la maggiore velocità di trasmissione, l’assenza di problemi legati al riscaldamento eccessivo dei micro-chip, la diretta interfaccia
con le reti di comunicazione su lunghe distanze basate su fibre ottiche. La futura disponibilità
di memorie ottiche è fortemente condizionata dalle proprietà non-lineari del mezzo in cui si vuole
realizzare il circuito fotonico, ovvero dalla capacità della luce di interagire con sé stessa. Dato che
le non linearità dei materiali semiconduttori sono tipicamente molto piccole, è necessario utilizzare
le moderne capacità di nano-fabbricazione per costruire delle microcavità, ovvero delle “gabbie”
per fotoni, che siano in grado di confinare la luce in regioni di spazio molto piccole, dell’ordine o
inferiori alla lunghezza d’onda della luce stessa. In tali condizioni, le proprietà della radiazione elettromagnetica sono di fatto molto simili a quelle di singole particelle interagenti tra di loro mediante
interazione Coulombiana, ad esempio elettroni.
La ricerca in questione è il frutto di una collaborazione coordinata da Dario Gerace, giovane ricercatore presso il dipartimento di Fisica “A. Volta” dell’Università degli Studi di Pavia e afferente
all’unità CNISM di Pavia, in collaborazione con Vittorio Giovannetti e Rosario Fazio della Scuola
Normale Superiore di Pisa, e con Hakan Tureci e Atac Imamoglu del Politecnico di Zurigo. In tale
lavoro, il parallelismo tra i sistemi fotonici fortemente interagenti a livello di singoli fotoni ed il
transistor a singolo elettrone viene sfruttato per dimostrare teoricamente le proprietà di una sorta
di transistor ottico quantistico, ovvero un possibile sostituto della sua controparte elettronica. La
ricerca ha mostrato come la moderna tecnologia sia matura per costruire dispositivi fotonici integrati di dimensioni nano-metriche, che si comportino in modo analogo ad un interferometro di
Josephson in cui la comunicazione di segnali ottici tra due canali fotonici adiacenti viene controllata
dalla presenza di un singolo fotone tra di essi.
Dato l’impatto enorme che l’effetto Josephson ha avuto in campi che vanno dalla metrologia
all’imaging, sfruttando la sensibilità delle misure di fase a minuscole variazioni di campo magnetico, ci si aspetta che il dispositivo proposto possa un giorno costituire un elemento fondamentale
di un circuito integrato completamente fotonico. Tra le possibili (e futuribili) applicazioni di questo
dispositivo si può immaginare, ad esempio, un computer “fotonico”, che sarebbe più compatto dei
moderni PC, a bassissimo consumo (in quanto le operazioni di commutazione avverrebbero mediante
singoli fotoni), e magari ricaricabile come una calcolatrice solare e senza alimentazione elettrica.
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The quantum-optical Josephson interferometer, D. Gerace, H.E. Tureci, A. Imamoglu,
V. Giovannetti, R. Fazio, Nature Physics, DOI:10.1038/nphys1223.
Disponibile online: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/pdf/nphys1223.pdf
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