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Un gruppo di ricercatori italiani ha dimostrato che impulsi di luce estremamente brevi possono fare molto più che trasportare dati: possono processarli. Questo risultato apre la strada a un tipo di calcolo che sfrutta le oscillazioni della luce per operazioni logiche a velocità mai viste nei chip elettronici tradizionali. Lo studio, pubblicato su Nature Photonics, arriva da una collaborazione tra il Politecnico di Milano, il Cnr-Ifn e partner internazionali. Il lavoro promette di spostare il confine tra fotonica e informatica verso dispositivi ultrarapidi e pronti per applicazioni reali.
Calcolo basato sulla luce: come cambia l’elaborazione dell’informazione
Nel nuovo approccio i segnali non sono gestiti muovendo cariche in transistor, ma manipolando stati elettronici attraverso impulsi luminosi. Questa tecnica consente di operare a frequenze che superano i 10 terahertz, rendendo possibili calcoli centinaia di volte più rapidi rispetto all’elettronica moderna. Usare la luce come elemento attivo per l’elaborazione apre prospettive radicali per l’hardware del futuro.
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La differenza principale è temporale: gli impulsi femtosecondi agiscono su scale inaccessibili alle tecnologie a semiconduttore convenzionali. Così si possono eseguire operazioni logiche in tempi estremamente ridotti, potenzialmente trasformando la velocità di risposta dei sistemi di calcolo. Questo approccio combina principi quantistici e fotonici per creare logiche basate su frequenze ottiche.
Il materiale chiave: disolfuro di tungsteno a tre strati
Il team ha scelto il disolfuro di tungsteno, noto come WS2, in forma bidimensionale e composta da soltanto tre strati atomici. In questo tipo di semiconduttore gli elettroni possono occupare due stati energetici distinti, chiamati «valli», che fungono da portatori di informazione. La manipolazione di queste valli con impulsi luminosi permette di codificare e modificare bit operativi molto rapidamente.
Caratteristiche che rendono WS2 adatto al calcolo ultrarapido
WS2 offre caratteristiche uniche per la fotonica quantistica e per dispositivi logici a base di luce. La struttura a strati sottilissimi facilita l’accesso e il controllo degli stati elettronici. Inoltre, il materiale mostra stabilità sufficiente per operare a temperatura ambiente.
- Stato a valle utilizzabile come unità d’informazione.
- Compatibilità con impulsi laser femtosecondi.
- Funzionamento a condizioni non criogeniche.
Modalità operative: impulsi femtosecondi e logica ottica
Attraverso impulsi laser lunghi pochi femtosecondi i ricercatori hanno dimostrato di poter accendere, spegnere e amplificare segnali selettivi nelle valli del materiale. Queste operazioni riproducono funzioni logiche analoghe a quelle dei circuiti elettronici, ma realizzate con la luce. La capacità di modulare gli stati in tempi così brevi è cruciale per raggiungere prestazioni superiori.
Le frequenze operative ottenute superano la soglia dei 10 terahertz, ben oltre le possibilità dei transistor attuali. Ciò significa che le operazioni logiche possono essere eseguite con cicli molto più rapidi e con latenza ridotta. I risultati dimostrano anche che è possibile effettuare misure sulla stabilità dell’informazione quantistica all’interno del materiale.
Il controllo preciso degli impulsi richiede sequenze ben progettate e sincronizzazione rigorosa. Questo lavoro è una dimostrazione di principio che mette in evidenza come la fotonica ultrarapida possa svolgere compiti di elaborazione, non solo di trasmissione. La strada verso circuiti fotonici funzionanti passa per l’ottimizzazione delle sequenze e la gestione dell’interazione luce-materia.
Il team di ricerca e le prossime sfide tecnologiche
Allo studio hanno partecipato ricercatori guidati da Giulio Cerullo, con il contributo di Stefano Dal Conte, Margherita Maiuri e primi autori come Francesco Gucci e Mattia Russo. Anche il Cnr-Ifn, con il contributo di Franco Camargo, ha fornito competenze fondamentali. Il risultato nasce da una sinergia tra gruppi esperti in spettroscopia ultrarapida e fotonica dei materiali bidimensionali.
Per trasformare la dimostrazione in tecnologia utile servono ancora passi importanti. Tra le sfide principali ci sono la complessità delle sequenze di impulsi, l’aumento del numero di bit gestibili e l’integrazione con piattaforme scalabili. Di seguito alcuni obiettivi pratici che il campo dovrà affrontare:
- Sviluppo di generatori di impulsi più complessi e stabili.
- Incremento della densità di bit manipolabili in dispositivi reali.
- Integrazione dei materiali 2D in architetture compatibili con la produzione.
