27/06/2025
Un recente studio teorico firmato da un team internazionale, che coinvolge anche il l'Istituto nazionale di Ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ino), propone un metodo innovativo per generare coppie di fotoni entangled nel dominio delle microonde. Pubblicato su PRX QUANTUM e segnalato da Physics Magazine dell'American Physical Society, il lavoro apre scenari inediti per le tecnologie quantistiche.
L’entanglement quantistico — un legame profondo tra particelle, inspiegabile secondo la fisica classica — è alla base della prossima rivoluzione tecnologica nei campi della comunicazione, della computazione e della metrologia. Finora, la produzione controllata di coppie di fotoni entangled era principalmente confinata all’ambito ottico. Il nuovo studio propone invece di sfruttare le cosiddette coppie di Cooper — coppie di elettroni entangled nei superconduttori — per generare entanglement tra fotoni a microonde.
Il cuore della proposta è un dispositivo nanometrico che unisce superconduttori, punti quantici e circuiti fotonici: una vera architettura ibrida integrabile su chip. Utilizzando splitter di coppie di Cooper basati su doppi punti quantici, il sistema separa una coppia di elettroni in due canali distinti, inducendo l’emissione simultanea di due fotoni entangled in frequenza.
"Finora non è stato possibile osservare direttamente l’entanglement di una singola coppia di Cooper di un condensato BCS. Il nostro schema mira a superare questa sfida, offrendo un modo per accedere a questo aspetto fondamentale della superconduttività. Rispetto a schemi teorici del passato, basati su misure complesse di trasporto di carica o spin, il nostro schema trasferisce l’entanglement dagli elettroni ai fotoni, per i quali esistono tecniche affidabili di rilevamento. Inoltre, la proposta potrebbe offrire un nuovo strumento per esplorare stati quantistici più complessi, come quelli presenti nella superconduttività topologica o non convenzionale, dove l’entanglement elettronico assume forme diverse.", spiega Gianluca Rastelli, ricercatore del Cnr-Ino tra gli autori del lavoro. "Il nostro approccio, infatti, integra componenti avanzate di sistemi quantistici nanometrici, unendo nanocontatti superconduttori, punti quantici a semiconduttore e dispositivi a microonde. Abbiamo individuato possibili criticità e rischi, e mostrato che superarli richiede tecniche di nanofabbricazione all’avanguardia. Crediamo che questo lavoro apra la strada a futuri studi sperimentali su questa architettura ibrida".
Questo approccio potrebbe rendere possibile, per la prima volta, la verifica sperimentale dell’entanglement in una singola coppia di Cooper, un obiettivo finora inaccessibile per la comunità scientifica. Il lavoro sviluppa una proposta teorica nata dalla stretta collaborazione tra due teorici – Gianluca Rastelli (Cnr-Ino) e Michele Governale (Victoria University of Wellington, New Zealand) - e due sperimentali – Pasquale Scarlino (EPFL, Losanna, CH) e Christian Schönenberger (University of Basel, CH). La sua importanza risiede anche nella visione a lungo termine: portare la fotonica quantistica nel regime delle microonde al livello di maturità raggiunto da quella ottica: questo permetterebbe lo sviluppo di nuove architetture di calcolo quantistico, di sensori ultra-sensibili e di reti di comunicazione sicura completamente integrabili su chip.
Per informazioni:
Gianluca Rastelli
Cnr-Ino
gianluca.rastelli@ino.cnr.it
Vedi anche:
- Articolo "Entangled Photon-Pair Emission in Waveguide Circuit QED from a Cooper Pair Splitter", Michele Governale, Christian Schönenberger, Pasquale Scarlino and Gianluca Rastelli, PRX Quantum 6, 020339 DOI: https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.6.020339
- Articolo "Creating Entangled Pairs of Microwave Photons" May 29, 2025, Physics 18