Avviare la prossima fase nel calcolo quantistico

Nel ambiente sterile, il gruppo produce i cristalli stessi e li integra in cosiddette piattaforme fotoniche di tipo III-V (vedi immagine). (Fonte: Martin Brandstätter; Copyright: Università di Würzburg)

Il dottor Andreas Pfenning guida il progetto. (Fonte: Martin Brandstätter; Copyright: Università di Würzburg)

Allo stato attuale si sta sviluppando presso l'Università Julius Maximilians Würzburg (JMU) una tecnologia che potrebbe essere decisiva per il futuro delle tecnologie quantistiche: un innovativo modulatore di fase, che controlla segnali luminosi in modo estremamente rapido e quasi senza perdite. Per lo sviluppo di questo componente, il gruppo giovanile Ferro35 del Dr. Andreas Pfenning, cattedra di Fisica Tecnica, riceve più di 6,6 milioni di euro dal Ministero Federale della Ricerca, della Tecnologia e dello Spazio (BMFTR).

I computer quantistici, i sensori quantistici e le comunicazioni intercettabili sono considerati tecnologie chiave dei decenni a venire. Tuttavia, nonostante i grandi progressi, manca ancora un componente indispensabile per sistemi quantistici fotonici scalabili: un modulatore che influenzi con precisione gli stati quantistici senza disturbare il delicato segnale luminoso. È proprio qui che interviene il gruppo giovanile.

Un componente che fa la differenza

I modulatori di fase sono ormai consolidati nelle reti ottiche classiche. Tuttavia, le soluzioni attuali non sono sufficienti per le tecnologie quantistiche. «Abbiamo bisogno di componenti che consentano alte velocità e allo stesso tempo presentino perdite ottiche estremamente basse», afferma Pfenning, «questa combinazione finora non esiste — ed è fondamentale per circuiti quantistici complessi.»

Per questo motivo, il gruppo giovanile adotta un nuovo approccio: integra il titanato di bario (BTO) in piattaforme fotoniche III-V, già utilizzate per fonti di luce quantistica efficienti. La connessione di entrambi i sistemi di materiali è considerata tecnicamente impegnativa, ma apre possibilità completamente nuove per il controllo della luce sul chip.

Cristalli di produzione propria

Per far funzionare questo approccio, il team produce i cristalli necessari autonomamente: strato dopo strato, in ambienti sterili e sotto vuoto elevato. La tecnica si chiama epitassia a fascio molecolare (MBE) ed è tra le più precise nel campo della ricerca sui materiali. Già diverse apparecchiature MBE sono disponibili nel laboratorio Gottfried-Landwehr per la nanotecnologia, e un’altra sarà appositamente allestita per Ferro35. «Per i materiali ferroelettrici abbiamo bisogno di un ambiente di processo particolarmente pulito», spiega Pfenning, «anche le più piccole impurità possono alterare le proprietà dei cristalli.»

Come con i Lego: dal componente al circuito quantistico

Oltre al modulatore, il gruppo sviluppa altri componenti necessari per circuiti quantistici fotonici, come ad esempio guide d’onda, accoppiatori e sorgenti di luce quantistica integrate. Questi componenti vengono prima simulati e poi realizzati in ambienti sterili.

«Stiamo creando una libreria di componenti con cui possiamo progettare, assemblare e produrre direttamente circuiti», afferma Pfenning, «questo ricorda in qualche modo il collegare i Lego: quando l’elemento giusto si trova al posto giusto, passo dopo passo si ottiene un circuito funzionante. I progetti così sviluppati possono essere immediatamente fabbricati e testati sperimentalmente.»

Ciò non solo semplifica lo sviluppo, ma apre anche nuove possibilità nell’insegnamento. Gli studenti potranno in futuro sperimentare con i modelli — un approccio ludico a un campo di ricerca altamente complesso.

Prima che i computer quantistici completamente scalabili diventino realtà, ci vorrà ancora del tempo. Tuttavia, i componenti sviluppati nel progetto potrebbero già creare terreno fertile in anticipo. «Modulatori veloci e a perdita ridotta sono anche interessanti per le telecomunicazioni», afferma Pfenning. «La nostra tecnologia può dare qui impulsi importanti.»

Il programma di finanziamento «Quantum Futur»

Ferro35 è finanziato nell’ambito del programma «Quantum Futur 3». L’iniziativa del BMFTR sostiene giovani ricercatori e ricercatrici nel creare gruppi di ricerca indipendenti, che sviluppano nuove basi tecnologiche per la seconda generazione di tecnologie quantistiche. Per il Dr. Andreas Pfenning, questa sovvenzione rappresenta l’opportunità di stabilire una direzione di ricerca ben definita presso la JMU: la fotonica quantistica ferroelelettrica.

Con Ferro35 nasce una piattaforma tecnologica che, a lungo termine, contribuirà a rafforzare la sovranità tecnologica di Germania ed Europa. La sovvenzione comprende la creazione di infrastrutture proprie, la formazione di personale scientifico e lo sviluppo di componenti chiave per sistemi quantistici fotonici.

Chi è la persona

Il Dr. Andreas Pfenning dirige dal 2026 il gruppo giovanile Ferro35 presso la cattedra di Fisica Tecnica della JMU. Dalla fine del 2022 guida il gruppo di ricerca Semiconductor Quantum Photonics e sta portando avanti la sua abilitazione in Fisica Sperimentale.

Dopo il dottorato, ha condotto ricerche come ricercatore post-dottorato presso l’Istituto di Materia Quantistica dell’Università della British Columbia a Vancouver, dove ha lavorato sulla elaborazione di informazioni quantistiche fotoniche basate sul silicio. La sua ricerca attuale combina fotonica quantistica integrata, nuovi materiali ferroelettrici e lo sviluppo di tecnologie quantistiche scalabili.