TU Berlino apre la strada alla produzione in serie di chip quantistici

Rappresentazione schematica di una piattaforma scalabile composta da sorgenti di luce quantistica, in cui punti quantici posizionati con precisione sono integrati in nanoresonatori.

Prof. Dr. Reitzenstein davanti alla camera di campionamento della macchina di litografia a fascio di elettroni, con cui vengono realate strutture nanometriche ad alta precisione per fonti di luce quantistica scalabili di nuova generazione.

Optical quantum chips sono considerati i mattoni fondamentali delle future tecnologie di comunicazione e informatica. La loro produzione finora è stata complessa, poiché le fonti necessarie per singoli fotoni – chiamate punti quantici a semiconduttore – si formavano casualmente sul chip e dovevano essere localizzate con precisione. Ricercatori dell'Università Tecnica di Berlino hanno ora sviluppato una soluzione a questo problema: attraverso "stressori" integrati controllatamente nel substrato, possono generare tensioni materiali sulla superficie in modo tale da far crescere punti quantici artificiali in posizioni desiderate. Questo crea le basi per una produzione scalabile e compatibile con l'industria di chip quantistici ottici.

Il lavoro è stato condotto sotto la guida del Prof. Stephan Reitzenstein nel gruppo di lavoro "Optoelettronica e componenti quantistici" presso l'Istituto di Fisica e Astronomia dell'Università Tecnica di Berlino, in collaborazione con ricercatori dell'Università Carl von Ossietzky di Oldenburg. Gli scienziati hanno sviluppato una nuova architettura di chip quantistici, in cui i cosiddetti punti quantici – strutture nanoscopiche di semiconduttore per la generazione di singoli fotoni – vengono integrati con precisione in posizioni predefinite nel chip. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista specializzata Light: Science & Applications.

Dallo sviluppo casuale alla produzione mirata

I punti quantici sono considerati fonti promettenti di singoli fotoni. Questi fotoni sono fondamentali per applicazioni future come comunicazioni quantistiche sicure, reti quantistiche, sensori quantistici o computer quantistici fotonici. Finora, un problema centrale era già presente durante la produzione: i punti quantici si formavano casualmente durante la crescita sul materiale semiconduttore. I ricercatori dovevano quindi identificare con precisione i punti quantici adatti prima di poter realizzare le strutture fotoniche intorno ad essi. "Per alcuni dimostratori singoli, questa procedura ha avuto molto successo. Tuttavia, se si vuole produrre molte fonti di luce quantistica di qualità comparabile su un chip, la posizione casuale dei punti quantici diventa un collo di bottiglia centrale", spiega Kartik Gaur, che ha sviluppato i componenti quantistici nel suo dottorato. "Il nostro approccio sposta già questa fase nel processo di crescita cristallina: i punti quantici si formano dove saranno necessari anche nel componente fotonico."

Il gruppo di lavoro del Prof. Reitzenstein ha quindi sviluppato una procedura che determina già durante la crescita cristallina la posizione dei punti quantici. Ciò è possibile grazie a uno strato speciale, nascosto nel substrato del chip, che genera tensioni materiali molto precise e controlla così la crescita dei punti quantici. Successivamente, i punti quantici vengono integrati direttamente in risonatori nanofotonici, che raccolgono in modo particolarmente efficiente la luce generata e la rendono disponibile per applicazioni di tecnologia quantistica.

Alta resa e qualità riproducibile

Con il nuovo metodo, i ricercatori hanno prodotto una griglia 6x6 di 36 fonti di luce quantistica, tutte funzionanti. Questo ha portato a un'eccellente riproducibilità, raramente raggiunta finora nella fotonica quantistica basata su semiconduttori. "Il vero valore di questo lavoro non risiede solo nell'alta resa dei componenti", afferma Reitzenstein. "È fondamentale dimostrare come si possano realizzare fonti di luce quantistica performanti, con qualità controllabile e alta riproducibilità, su un chip di semiconduttore. Così affrontiamo una sfida centrale della fotonica quantistica: passare dalla dimostrazione di laboratorio ottimizzata individualmente a piattaforme scalabili e tecnologicamente utilizzabili per futuri sistemi quantistici."

Fondamenti per la prossima generazione di chip quantistici

Inoltre, il team di ricerca ha analizzato in dettaglio come piccole deviazioni nella posizione dei punti quantici influenzino le prestazioni dei componenti. A tal fine, i ricercatori hanno combinato diverse tecniche di imaging, spettroscopiche e di misurazione quantistica con simulazioni numeriche. Questi studi teorici sono stati condotti dal gruppo di Prof. Christopher Gies presso l'Università Carl von Ossietzky di Oldenburg. Le modellazioni spiegano come la posizione precisa dei punti quantici influisca sulle proprietà dei fotoni generati e forniscono linee guida importanti per lo sviluppo di futuri chip quantistici.

Qualità elevata delle fonti di luce quantistica dimostrata

Il team ha anche potuto quantificare le prestazioni delle fonti di luce quantistica. Nei migliori componenti, è stato possibile estrarre quasi la metà dei fotoni generati dal chip per un uso successivo – un valore molto buono. Allo stesso tempo, la "purezza" quantistica dei singoli fotoni era superiore al 99%. Inoltre, i fotoni prodotti mostravano caratteristiche quantistiche quasi identiche, una condizione importante per futuri computer quantistici fotonici e reti quantistiche, dove molti fotoni devono interagire in modo esattamente identico.

Informazioni aggiuntive:

Piattforma fotonica quantistica scalabile basata su punti quantici controllati sul sito, accoppiati a risonatori a reticolo circolare di Bragg, Kartik Gaur, Avijit Barua, Sarthak Tripathi, Léo J. Roche, Steffen Wilksen, Alexander Steinhoff, Sam Baraz, Neha Nitin, Chirag C. Palekar, Aris Koulas-Simos, Imad Limame, Priyabrata Mudi, Sven Rodt, Christopher Gies & Stephan Reitzenstein

https://www.nature.com/articles/s41377-026-02343-0