La ciencia y la tecnología de la información cuántica se ha convertido en un nuevo paradigma para la computación dramáticamente más rápida y la comunicación segura en el siglo 21. En el corazón de cualquier sistema cuántico se encuentra el bloque de construcción más básico, el bit cuántico o qbit, que transporta la información cuánticaque puede transferirse y procesarse este es el análogo cuántico del bit utilizado en los sistemas de información actuales. El qbit portador más prometedor para la transferencia de información cuántica a larga distancia es el fotón, la unidad cuántica de luz.
El desafío que enfrentan los científicos es producir fuentes artificiales de fotones para diversas tareas de información cuántica. Uno de los mayores desafíos es el desarrollo de fuentes de fotones eficientes y escalables que se puedan montar en un chip y operar a temperatura ambiente. La mayoría de las fuentes se utilizan enLos laboratorios de hoy deben estar muy fríos a la temperatura del helio líquido, alrededor de -270 ° C, lo que requiere refrigeradores grandes y costosos. Muchas fuentes también emiten fotones en direcciones indefinidas, lo que hace que la recolección eficiente sea un problema difícil.
Ahora, un equipo de científicos de la Universidad Hebrea de Jerusalén ha demostrado una fuente eficiente y compacta de un solo fotón que puede operar en un chip a temperatura ambiente. Utilizando pequeños nanocristales hechos de materiales semiconductores, los científicos desarrollaron un método en el cualEl nanocristal se puede colocar con precisión encima de una nano antena especialmente diseñada y fabricada cuidadosamente.
Del mismo modo que las antenas grandes en los techos emiten directamente ondas de radio clásicas para transmisiones celulares y satelitales, la nano antena dirigió de manera eficiente los fotones individuales emitidos por los nanocristales en una dirección bien definida en el espacio. Este dispositivo combinado de nanocristales y nanoantenasfue capaz de producir una corriente altamente direccional de fotones individuales, todos volando en la misma dirección con un ángulo de divergencia bajo récord. Estos fotones fueron luego recolectados con una configuración óptica muy simple, y enviados para ser detectados y analizados utilizando detectores de fotones individuales.
El equipo demostró que este dispositivo híbrido mejora la eficiencia de recolección de fotones individuales en más de un factor de 10 en comparación con un solo nanocristal sin antena, sin la necesidad de sistemas de recolección óptica complejos y voluminosos utilizados en muchos otros experimentos. Resultados experimentalesmuestran que casi el 40% de los fotones se recogen fácilmente con un aparato óptico muy simple, y más del 20% de los fotones se emiten en una apertura numérica muy baja, una mejora de 20 veces sobre un punto cuántico independiente y con una probabilidad demás del 70% para una única emisión de fotones. La pureza de un solo fotón está limitada solo por la emisión del metal, un obstáculo que se puede sortear con un diseño y fabricación cuidadosos.
Las antenas se fabricaron utilizando capas metálicas y dieléctricas simples que utilizan métodos compatibles con las tecnologías de fabricación industrial actuales, y muchos de estos dispositivos se pueden fabricar densamente en un chip pequeño. El equipo ahora está trabajando en una nueva generación de dispositivos mejorados quepermite la producción determinista de fotones individuales directamente desde el chip en fibras ópticas, sin ningún componente óptico adicional, con una eficiencia casi unitaria.
"Esta investigación allana un camino prometedor para una fuente de fotones únicos en chip de alta pureza y alta eficiencia que opere a temperatura ambiente, un concepto que puede extenderse a muchos tipos de emisores cuánticos. Una fuente de fotones individuales altamente direccional podría conducir aun progreso significativo en la producción de fuentes compactas, baratas y eficientes de bits de información cuántica para futuras aplicaciones tecnológicas cuánticas ", dijo el profesor Ronen Rapaport, del Instituto de Física Racah, el Departamento de Física Aplicada y el Centro de Nanociencia y Nanotecnología deLa Universidad Hebrea de Jerusalén.
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Materiales proporcionado por Universidad Hebrea de Jerusalén . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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