Gli scienziati hanno appena trovato il 'pezzo mancante' per il computer quantistico perfetto

La realizzazione di computer quantistici su larga scala è ancora distante, ma pare che un nuovo materiale rappresenti il candidato ideale per accelerarne il progresso. Un gruppo di scienziati della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia, in collaborazione con ricercatori della National University of Singapore e della Radboud University nei Paesi Bassi, ha osservato per la prima volta l'emissione di singoli fotoni all'interno del materiale bidimensionale ZnPS3 (trisolfuro di fosforo e zinco).

Il risultato rappresenta un avanzamento nello studio dei materiali destinati alle tecnologie quantistiche, perché dimostra che anche un cristallo stratificato bidimensionale può funzionare come sorgente di singoli fotoni, un elemento fondamentale per applicazioni come il calcolo quantistico e la crittografia quantistica.

I computer quantistici utilizzano qubit invece dei tradizionali bit binari. A differenza dei sistemi convenzionali, i qubit possono assumere contemporaneamente valori compresi tra 0 e 1, caratteristica che consente di eseguire numerosi calcoli in parallelo e affrontare problemi che richiederebbero decenni ai supercomputer attuali.

Uno dei principali ostacoli allo sviluppo di queste macchine riguarda però i materiali utilizzati per realizzare i qubit. Molte delle tecnologie oggi sperimentate richiedono temperature prossime allo zero assoluto per mantenere stabili gli stati quantistici, una condizione che rende difficile una diffusione su larga scala.

Per questo motivo cresce l'interesse verso i materiali bidimensionali di van der Waals, che offrono vantaggi rispetto ai tradizionali centri di colore nel diamante. Questi cristalli possono infatti essere trasferiti con facilità su diversi substrati e integrati direttamente in chip al silicio, circuiti miniaturizzati oppure fibre ottiche, favorendo la realizzazione di processori quantistici integrati su un unico dispositivo.

Nel lavoro pubblicato dai ricercatori sono stati analizzati sottili fiocchi di ZnPS3, con spessori nell'ordine dei nanometri. Il materiale possiede un bandgap di 3,63 eV, una caratteristica tecnica particolarmente interessante perché richiede una quantità elevata di energia per liberare gli elettroni. Questa proprietà permette un funzionamento a tensioni e temperature più elevate, riduce le perdite energetiche alle alte frequenze e rende possibile la progettazione di componenti più compatti rispetto all'hardware basato sul silicio.

Durante gli esperimenti il materiale è stato illuminato con un laser. In corrispondenza di un difetto puntuale presente nel reticolo cristallino è comparsa una sequenza di singoli fotoni caratterizzata da un'elevata polarizzazione. Si tratta di una proprietà particolarmente utile per applicazioni dedicate alla comunicazione quantistica e ai sistemi di crittografia.

Una parte importante dello studio ha riguardato l'identificazione del meccanismo microscopico responsabile del fenomeno osservato. L'ipotesi avanzata dal gruppo di ricerca indica che l'origine dell'emissione potrebbe essere collegata alla presenza di vacanze di singoli atomi di fosforo all'interno della struttura cristallina.

La scoperta, quindi, amplia il numero dei materiali potenzialmente adatti alla realizzazione di futuri dispositivi quantistici e conferma il potenziale dei cristalli bidimensionali nello sviluppo di componenti facilmente integrabili nelle piattaforme elettroniche di nuova generazione.