Semiconductor devices for entangled photon pair generation

Responsabile scientifico: Prof. Daniele Bajoni

Il progetto ha permesso di conseguire diversi risultati. Eccone illustrati due:

1 – Le tecnologie di crittografia quantistica e quantum computing stanno rapidamente passando dai laboratori ai primi prodotti industriali. La sicurezza delle comunicazioni tra banca e cliente è, ad esempio, una delle applicazioni più promettenti: in anni recenti sono stati testati sistemi dimostrativi di “quantum bancomat”, dove il cliente può prelevare una chiave di bits randomizzata da usare per successive comunicazioni via internet. Il nostro progetto si prefiggeva la dimostrazione di diversi dispositivi necessari per la completa integrazione su chip delle tecniche di quantum information processing. L’obiettivo principale consiste nello sviluppare una sorgente di stati nonclassici della radiazione facilmente integrabile con reti di guide di silicio, e ad alta ripetibilità.

Abbiamo deciso, per tale fine, di sfruttare le nonlinearità ottiche di risonatori ad anello in silicio, dispositivi che sono già uno standard industriale. Durante il progetto abbiamo dimostrato che tali risonatori sono in grado di emettere fasci di coppie di fotoni con particolare intensità e con un rapporto segnale rumore più di dieci volte migliore rispetto ad altre sorgenti riportate precedentemente.

2 – I polaritoni eccitonici sono quasi-particelle ibride formate da una mescolanza di luce e materia che si possono formare in nanostrutture di semiconduttore. I polaritoni hanno la proprietà di potersi accumulare nello stesso stato, in modo simile a quanto avviene per i fotoni in un laser: il vantaggio rispetto ad un laser tradizionale è che il lasing a polaritoni avviene con potenze di pompa molto più basse. In questo lavoro abbiamo realizzato polaritoni confinati in cavità a cristallo fotonico, più piccole di un micron cubo. Il piccolo volume modale ha dato origine a soglie di lasing con potenze di pompa dell’ordine di 100 nW: questi risultati migliorano di tre ordini di grandezza i risultati precedentemente riportati in letteratura. Questo lavoro è finanziato dalla fondazione Alma Mater Ticinensis ed è il frutto di una collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione e il Dipartimento di Fisica dell’Università di Pavia e il Laboratoire de Photonique et des Nanostructures di Marcoussis in Francia.