Fisici del KTH costruiscono un chip fotonico programmabile per svelare la stabilità topologica

Rilevare stati d'onda robusti in hardware basato sulla luce

Nelle fibre ottiche e nei circuiti fotonici integrati, minuscoli difetti di fabbricazione o il rumore ambientale possono disperdere i fotoni e alterarne il percorso. Per prevenire queste perturbazioni, i ricercatori esplorano le proprietà topologiche, caratteristiche del moto ondoso che restano invariate anche quando un sistema subisce una deformazione fisica. Questa innovazione della fisica è stata dimostrata da un team del KTH Royal Institute of Technology e pubblicata su Physical Review Letters, come documentato da Phys.org.

Il coautore dello studio, il professore associato Ali Elshaari, paragona la topologia a un nodo fisico legato in una corda. Il nodo mantiene la sua forma strutturale se la corda viene scossa, attorcigliata o tesa, e si scioglie solo se la corda viene tagliata. Secondo lo studio riportato da Phys.org, alcune architetture ottiche supportano nodi topologici analoghi che proteggono i segnali luminosi dalla dispersione causata da imperfezioni fisiche.

«Usiamo un trucco matematico per far funzionare il sistema con perdite sul chip senza perdere effettivamente il segnale»

— Andrea Cataldo, dottorando al KTH Royal Institute of Technology

Come il chip interferometrico preserva l'integrità del segnale

I dispositivi reali subiscono inevitabilmente dissipazione, cioè perdono energia durante il funzionamento. Il primo autore e ricercatore dottorando Andrea Cataldo ha osservato che tali perdite rendono generalmente difficile osservare firme topologiche stabili. Per risolvere il problema, il team ha implementato un protocollo matematico su un chip ottico programmabile che simula un ambiente che dissipa energia preservando l'integrità del segnale, come dettagliato su Phys.org.

Il dispositivo misura i segnali ottici confrontando la luce in uscita con fasci di riferimento stabili, funzionando in modo molto simile all'accordatura di uno strumento musicale rispetto a una nota acustica di riferimento. Questa configurazione interferometrica ha permesso ai ricercatori di distinguere gli stati topologici annodati dalla trasmissione d'onda convenzionale. Inoltre, l'invenzione basata sulla luce ha identificato un punto eccezionale, una specifica soglia di parametri in cui i sistemi fisici dissipativi mostrano interazioni d'onda non standard, secondo Phys.org.

Aspetti di proprietà intellettuale e implicazioni tecniche

Poiché il circuito fotonico è completamente programmabile, i ricercatori possono configurare un singolo chip per testare molteplici condizioni operative senza fabbricare hardware separato per ogni test. I risultati sottoposti a revisione paritaria, catalogati anche con l'identificativo arXiv 2609.38352, non rivelano un deposito di brevetto pubblicato né una domanda di brevetto attiva per la configurazione hardware, secondo il resoconto di Phys.org.

Il metodo di misura offre una via per valutare componenti resilienti per reti ottiche, circuiti elettronici e dispositivi quantistici. Consentendo la lettura diretta delle caratteristiche topologiche nonostante la dissipazione, la ricerca sostiene lo sviluppo di hardware ottico progettato per rimanere stabile contro i difetti fisici, come riportato su Phys.org.

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