Yuping Huang y sus colegas del Instituto de Tecnología Stevens demostraron un circuito cuántico que se puede integrar fácilmente con otros componentes ópticos, allanando el camino para dispositivos cuánticos de alta velocidad, reconfigurables y multifacéticos. Crédito: QuEST Lab, Instituto de Tecnología Stevens
La fuente de fotones ultrabrillante y rápida pone al alcance de la mano la fotónica cuántica escalable.
Las computadoras cuánticas ultrarrápidas y los dispositivos de comunicación podrían revolucionar innumerables aspectos de nuestras vidas, pero primero, los investigadores necesitan una fuente rápida y eficiente de los pares de fotones entrelazados que estos sistemas utilizan para transmitir y manipular información. Los investigadores del Instituto de Tecnología Stevens ahora han hecho precisamente eso, creando una fuente de fotones basada en chip 100 veces más eficiente de lo que era posible anteriormente. El trabajo pone al alcance la integración masiva de dispositivos cuánticos.
“Durante mucho tiempo se sospechó que esto era posible en teoría, pero somos los primeros en demostrarlo en la práctica”, dijo Yuping Huang, profesor asociado de física de Gallagher en Stevens y director del Centro de Ciencia e Ingeniería Cuántica.
Para crear pares de fotones, los investigadores atrapan la luz en microcavidades a nanoescala cuidadosamente esculpidas; a medida que la luz circula en la cavidad, sus fotones resuenan y se dividen en pares entrelazados. Pero hay un problema: en la actualidad, tales sistemas son extremadamente ineficientes, y requieren un torrente de luz láser entrante que comprende cientos de millones de fotones antes de que un solo par de fotones entrelazados gotee a regañadientes por el otro extremo.
Huang y sus colegas de Stevens han desarrollado una nueva fuente de fotones basada en chips que es 100 veces más eficiente que cualquier dispositivo anterior, lo que permite la creación de decenas de millones de pares de fotones entrelazados por segundo a partir de un solo rayo láser alimentado por microvatios.
“Este es un gran hito para las comunicaciones cuánticas”, dijo Huang, cuyo trabajo aparece en la edición del 17 de diciembre de 2020 de Cartas de revisión física.
Trabajando con los estudiantes graduados de Stevens, Zhaohui Ma y Jiayang Chen, Huang construyó en su laboratorio investigación previa para tallar microcavidades de muy alta calidad en escamas de cristal de niobato de litio. Las cavidades en forma de pista de carreras reflejan internamente fotones con muy poca pérdida de energía, lo que permite que la luz circule por más tiempo e interactúe con mayor eficiencia.
Al ajustar factores adicionales como la temperatura, el equipo pudo crear una fuente brillante sin precedentes de pares de fotones entrelazados. En la práctica, eso permite producir pares de fotones en cantidades mucho mayores para una cantidad determinada de luz entrante, lo que reduce drásticamente la energía necesaria para alimentar componentes cuánticos.
El equipo ya está trabajando en formas de refinar aún más su proceso, y dicen que esperan alcanzar pronto el verdadero Santo Grial de la óptica cuántica: un sistema que puede convertir un solo fotón entrante en un par entrelazado de fotones salientes, prácticamente sin desperdicio. energía en el camino. “Definitivamente es alcanzable”, dijo Chen. “En este punto, solo necesitamos mejoras graduales”.
Hasta entonces, el equipo planea continuar refinando su tecnología y buscando formas de usar su fuente de fotones para impulsar puertas lógicas y otros computación cuántica o componentes de comunicación. “Debido a que esta tecnología ya está basada en chips, estamos listos para comenzar a escalar integrando otros componentes ópticos pasivos o activos”, explicó Huang.
El objetivo final, dijo Huang, es hacer que los dispositivos cuánticos sean tan eficientes y económicos de operar que puedan integrarse en los dispositivos electrónicos convencionales. “Queremos sacar la tecnología cuántica del laboratorio, para que pueda beneficiar a todos y cada uno de nosotros”, explicó. “Algún día, pronto, queremos que los niños tengan computadoras portátiles cuánticas en sus mochilas, y estamos esforzándonos para que eso sea una realidad”.
Referencia: “Fuentes de fotones cuánticos ultrabrillantes en chip” de Zhaohui Ma, Jia-Yang Chen, Zhan Li, Chao Tang, Yong Meng Sua, Heng Fan y Yu-Ping Huang, aceptado. Cartas de revisión física.
Resumen
Financiamiento: National Science Foundation, National Aeronautics and Space Administration.
