Le reti quantistiche mirano a collegare nodi (per esempio processori o memorie quantistiche) scambiando fotoni e mantenendo l’informazione quantistica coerente abbastanza a lungo da completare protocolli di entanglement e lettura. Il limite pratico, quando si prova a collegare dispositivi attraverso fibra ottica, è spesso la “tenuta” della coerenza dei qubit: più è breve, più la distanza utile si riduce a poche decine di chilometri o meno, a seconda dell’architettura e delle perdite di canale.
Chi sta lavorando al risultato e quali istituzioni sono coinvolte
Il lavoro descritto è attribuito a un team guidato da Tian Zhong (Assistant Professor) presso la Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago, con collaborazione anche del Department of Physics della University of Chicago e del Department of Physics della University of Basel (Basel, Svizzera) nella pubblicazione scientifica. L’obiettivo dichiarato è migliorare l’interfaccia “spin-fotone” a lunghezze d’onda telecom, così da rendere più realistico l’uso di infrastrutture in fibra ottica per reti quantistiche su distanze molto maggiori.
Perché proprio l’erbio e i materiali “rare-earth doped”
Il cuore tecnico è l’uso di ioni di erbio (Er³⁺) come qubit/centri otticamente attivi: l’erbio è interessante perché può emettere e interagire con luce nel telecom C-band (intorno a 1,5 µm), cioè la finestra più favorevole per la trasmissione in fibra ottica a bassa attenuazione. Nella pubblicazione, gli autori inquadrano questi sistemi come candidati per interfacce luce-materia, memorie quantistiche e nodi di rete, proprio perché combinano proprietà ottiche e di spin sfruttabili a temperature criogeniche.
Il cambio di metodo: dalla crescita “da crogiolo” alla crescita epitassiale (MBE)
L’elemento distintivo non è tanto “un materiale nuovo”, quanto come viene costruito. Invece della crescita cristallina tradizionale (tipicamente associata a metodi come il Czochralski, che parte da una fusione e solidifica lentamente), il team usa la Molecular Beam Epitaxy (MBE) per far crescere film cristallini in modo controllato, strato dopo strato, in condizioni di ultra-vuoto. L’idea è ottenere una matrice più pulita e controllare meglio dove si trovano i dopanti rispetto alle superfici, riducendo difetti e rumore che degradano coerenza e larghezze di linea ottiche. È qui che nasce il parallelo con una “produzione additiva” su scala atomica: non si scolpisce un blocco già formato, ma si “costruisce” la struttura con controllo fine del processo.
Che cosa dichiarano di aver migliorato: coerenza e distanza teorica di collegamento
Nella narrazione divulgativa collegata allo studio, l’aumento di qualità del materiale e dell’architettura porta a tempi di coerenza molto più lunghi per gli atomi di erbio rispetto a riferimenti precedenti citati nell’articolo: si parla di passaggi da circa 0,1 millisecondi a valori oltre 10 millisecondi, con un caso riportato fino a 24 millisecondi. In termini di impatto “di sistema”, questo viene tradotto in una distanza teorica di collegamento via fibra che può arrivare a circa 2.000 km (e, in condizioni ideali citate nella comunicazione, anche più in alto). Va letto come “potenziale di architettura” e non come dimostrazione di una rete continentale già realizzata: resta un obiettivo sperimentale da validare con test su fibra e nodi reali.
Cosa c’è dentro il paper: piattaforma in film epitassiali Er³⁺:Y₂O₃ e interfaccia fibra-chip
Nel paper su Nature Communications gli autori descrivono un sistema basato su film sottili monocristallini di Er³⁺ dopato in Y₂O₃ (ossido di ittrio) cresciuti epitassialmente con MBE su wafer di silicio, con dopanti mantenuti ad almeno ~40 nm dalle interfacce durante la crescita. Sfruttano inoltre due siti di simmetria del reticolo (indicati come C2 e C3i) che influenzano le transizioni ottiche e la sensibilità al rumore elettrico, con l’obiettivo di combinare buona coerenza di spin e linee ottiche strette in una piattaforma integrabile. Sul lato “rete”, il dispositivo viene presentato in un package compatibile con fibra: una cavità ottica tipo fiber Fabry-Perot accoppiata al chip e un risonatore a microonde superconduttivo per il controllo dello spin.
Risultati sperimentali evidenziati dagli autori: linewidth ottiche, lettura e controllo
Tra i punti tecnici riportati nel PDF: viene indicata la dimostrazione di interfacce spin-fotone telecom su due siti, con linewidth ottiche che arrivano a livello kHz in un sito “più protetto” dalla simmetria e tempi di coerenza di spin che superano i 10 ms; inoltre viene descritta la realizzazione di single-shot readout con fedeltà riportata al 92% e controllo coerente a microonde, in un’architettura pensata per essere inserita in un contesto di rete. Questi dettagli sono importanti perché molte piattaforme mostrano singoli “pezzi” (buona coerenza o buona integrazione o buone proprietà ottiche), mentre qui l’obiettivo dichiarato è farli convivere nello stesso stack tecnologico.
Prossimi passi pratici: test su fibra e nodi criogenici separati
Nel racconto associato allo studio, il gruppo menziona come step successivo test “di rete” più realistici: collegare qubit in criostati separati tramite bobine di fibra su scala chilometrica, per validare in pratica quanto la maggiore coerenza e l’integrazione fibra-dispositivo migliorino la generazione e il mantenimento dell’entanglement tra nodi. In parallelo, resta centrale la scalabilità: controllo del drogaggio, uniformità wafer-scale, ripetibilità dei dispositivi e gestione del rumore in packaging reale.
