Nuove applicazioni per i microlaser nella quantistica nanophotonica

Rappresentazione schematica dell'esperimento: la luce del microlaser elettricamente pulsato (a sinistra) viene condotta tramite una fibra ottica verso la sorgente di singoli fotoni (a destra). Qui produce singoli fotoni, che devono essere separati con precisione dalla luce del laser tramite un filtro di polarizzazione. (© Sören Kreinberg/TU Berlin)

La scienza intorno ai micro- e nanolaser sta vivendo un hype mondiale. In genere, i ricercatori si occupano principalmente della fisica di base di questi laser. Tuttavia, il possibile utilizzo di questi laser estremamente piccoli nelle applicazioni è ancora poco chiaro. «Il fatto che non ci siano ancora applicazioni o siano molto limitate per i microlaser, è dovuto anche al fatto che emettono una potenza ottica molto bassa. Per esempio, sarebbero necessari 1000 microlaser per raggiungere la potenza di un puntatore laser», spiega il Prof. Dr. Stephan Reitzenstein del dipartimento di «Optoelectronics and Quantum Devices» presso l'Istituto di fisica dello stato solido della TU Berlino. «Tuttavia, potrebbero esserci applicazioni interessanti in cui si necessita di pochissima luce. Questo è il caso, ad esempio, del funzionamento di una sorgente di singolo fotone.» Il gruppo di lavoro di Stephan Reitzenstein è riuscito, nell'ambito del suo ERC Consolidator Grant, a dimostrare per la prima volta un cosiddetto «proof of principle», ovvero che si può utilizzare un microlaser per stimolare una sorgente di singolo fotone, emettendo fotoni. «Non da ultimo, siamo riusciti anche a unire due comunità all’interno della fisica: da un lato quella dedicata ai microlaser e dall’altro quella delle sorgenti di singolo fotone.»

Lo scopo principale di questo esperimento è, tra le altre cose, l’impiego dei microlaser nella comunicazione quantistica sicura. Nel lavoro pubblicato, il microlaser e la sorgente di singolo fotone si trovavano in due ambienti diversi — ciascuno in un criostato separato a pochi 10 Kelvin — ed erano collegati tramite una fibra di vetro. «Dopo questo «proof of principle», il passo successivo sarà quello di unire entrambe le componenti «on chip». Quindi, il microlaser e la sorgente di singolo fotone non più in ambienti diversi, ma collocati nello stesso chip di pochi micrometri di dimensione», spiega Stephan Reitzenstein.

La sfida di questo esperimento consisteva anche nel dimostrare in modo inequivocabile che i fotoni misurati all’uscita dell’esperimento provenissero effettivamente dalla sorgente di singolo fotone — e non dal microlaser. In genere, un punto quantico (sorgente di singolo fotone) emette a una lunghezza d’onda specifica — ad esempio 830 nanometri — mentre il laser a un’altra lunghezza d’onda — ad esempio 700 nanometri. In questo caso, distinguere i fotoni è relativamente semplice. «Nel nostro caso, invece, il punto quantico e il microlaser devono emettere alla stessa lunghezza d’onda esatta. Problema: il microlaser invia circa un milione di volte più fotoni rispetto al punto quantico. È quindi fondamentale dimostrare che i fotoni rilevati alla fine dell’esperimento provengano effettivamente dalla sorgente di singolo fotone e non dal laser», descrive Stephan Reitzenstein. A tal fine, il suo dottorando Sören Kreinberg ha sviluppato una configurazione ottica speciale, che permette di separare i fotoni in base alla loro polarizzazione. La luce del laser, ad esempio, ha una polarizzazione orizzontale. Questo permette di eccitare il punto quantico. Al contrario, il punto quantico emette anche fotoni con polarizzazione verticale. «Questo filtro, che permette di far passare solo fotoni con polarizzazione verticale, lo posizioniamo dietro il punto quantico. In questo modo, possiamo dimostrare con certezza che i fotoni rilevati provengano dal punto quantico.»

Un’altra sfida importante consisteva nel trovare un microlaser, sviluppato e prodotto in collaborazione con il gruppo di Prof. Sven Höfling dell’Università di Würzburg, con una lunghezza d’onda costante e ben definita e una sorgente di singolo fotone compatibile. «A differenza di un laser normale, un microlaser non ha un «cappuccio» regolabile per impostare la lunghezza d’onda corretta. Ogni microlaser emette luce a una lunghezza d’onda specifica, che può variare fino a 10 nanometri da un esemplare all’altro. Abbiamo bisogno di un laser che emetta sempre e in modo assolutamente preciso alla stessa lunghezza d’onda della nostra sorgente di singolo fotone. Per questo, i miei collaboratori Sören Kreinberg e Tomislav Grbešić hanno testato e analizzato centinaia di microlaser», spiega Stephan Reitzenstein. La ragione per cui il microlaser e la sorgente di singolo fotone devono essere così perfettamente sincronizzati risiede nelle possibili applicazioni nella comunicazione quantistica: «Se il punto quantico viene eccitato da luce di lunghezze d’onda diverse, emette anche fotoni con caratteristiche leggermente diverse. Questi non sarebbero utilizzabili per una comunicazione quantistica potenzialmente efficace.»

Quantum-optical spectroscopy of a two-level system using an electrically driven micropillar laser as a resonant excitation source
Sören Kreinberg, Tomislav Grbešić, Max Strauß, Alexander Carmele, Monika Emmerling, Christian Schneider, Sven Höfling, Xavier Porte e Stephan Reitzenstein
Light: Science & Applications (2018) 7,doi: 10.1038/s41377-018-0045-6