In laboratorio, un chip legge la stabilità nascosta della luce

Stringi il nodo di una corda, torcilo, scuotilo: tiene finché qualcuno non taglia la corda. È così che Ali Elshaari, professore associato al KTH Royal Institute of Technology, spiega la topologia ai suoi studenti. Un team del KTH, con il dottorando Andrea Cataldo come primo autore, presenta ora un chip basato sulla luce che può leggere questo tipo di nodo nel modo in cui si muovono le onde, in uno studio pubblicato su Physical Review Letters.

Il problema è l'imperfezione dell'hardware reale. Le fibre ottiche, i chip e gli altri dispositivi che guidano la luce non sono mai impeccabili: piccoli difetti disperdono i fotoni e li spingono fuori dal loro percorso. Alcuni comportamenti delle onde sopravvivono a tali imperfezioni. I fisici chiamano queste caratteristiche proprietà topologiche, cioè caratteristiche delle onde che non cambiano nemmeno quando un sistema viene modificato. Il problema è la perdita di energia. Come afferma Cataldo, «ogni sistema perde un po' di energia», e questa perdita può mascherare proprio la stabilità che gli ingegneri stanno cercando. La questione è come studiare queste proprietà in condizioni realistiche.

La risposta del team è un chip programmabile che imita tali sistemi con perdite. Cataldo descrive un «trucco matematico» che fa girare il sistema con perdite sul chip senza perdere davvero il segnale. I ricercatori confrontano poi la luce con fasci di riferimento, un approccio che lui paragona all'accordatura di uno strumento su una nota di riferimento. Negli esperimenti, il chip ha distinto in modo affidabile i casi topologici da quelli ordinari. Ha inoltre rilevato un punto eccezionale, una condizione particolare in cui i sistemi che perdono energia si comportano in modi insoliti.

Il risultato ha dei limiti. La dimostrazione riguarda un dispositivo di laboratorio, lo studio non fornisce dati sulle dimensioni del chip o sulle sue prestazioni oltre ai casi testati, e non viene indicata alcuna data per un eventuale impiego pratico. Il lavoro compare anche come preprint su arXiv, accanto alla versione pubblicata sulla rivista, il che permette al lettore di verificare il testo originale prima che venga citato altrove.

Per gli ingegneri, il vantaggio è la rapidità. Poiché il chip è riprogrammabile, molti scenari diversi possono essere testati su un solo dispositivo, invece di costruire una nuova configurazione per ciascuno. Gli autori affermano che il metodo potrebbe accelerare la ricerca di nuove tecnologie elettroniche e ottiche e contribuire a dispositivi quantistici più affidabili. I primi a beneficiarne sarebbero i gruppi di ricerca che progettano materiali e hardware quantistico, non i consumatori. Lo studio non fornisce alcuna scadenza su quando un simile lavoro potrebbe arrivare a un prodotto.