Los científicos han creado una estructura cristalina que impulsa la interacción entre pequeñas explosiones de luz y electrones individuales, un avance que podría ser un paso significativo hacia el establecimiento de redes cuánticas en el futuro.
Las redes actuales utilizan circuitos electrónicos para almacenar información y fibras ópticas para transportarla, y las redes cuánticas pueden beneficiarse de un marco similar. Tales redes transmitirían qubits versiones cuánticas de bits ordinarios de un lugar a otro y ofrecerían una seguridad inquebrantablepara la información transmitida. Pero los investigadores primero deben desarrollar formas para que los qubits que son mejores para almacenar información interactúen con paquetes individuales de luz llamados fotones que son mejores para transportarla, una tarea que se logra en las redes convencionales mediante moduladores electroópticos que usan señales electrónicaspara modular las propiedades de la luz.
Ahora, los investigadores del grupo de Edo Waks, miembro del Joint Quantum Institute y profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Maryland, han encontrado una interfaz entre fotones y electrones individuales que progresahacia tal dispositivo. Al fijar un fotón y un electrón juntos en un espacio pequeño, el electrón puede cambiar rápidamente las propiedades cuánticas del fotón y viceversa. La investigación se publicó en línea el 8 de febrero de 2016 en la revista Nanotecnología de la naturaleza .
"Nuestra plataforma tiene dos ventajas importantes sobre el trabajo anterior", dice Shuo Sun, un estudiante graduado de JQI y el primer autor del artículo. "La primera es que el qubit electrónico está integrado en un chip, lo que hace que el enfoque sea muyescalable. El segundo es que las interacciones entre la luz y la materia son rápidas. Ocurren en solo una billonésima de segundo, 1000 veces más rápido que los estudios anteriores ".
Construcción de una interfaz
La nueva interfaz utiliza una estructura bien estudiada conocida como cristal fotónico para guiar y atrapar la luz. Estos cristales se construyen a partir de ensamblajes microscópicos de capas semiconductoras delgadas y una cuadrícula de orificios cuidadosamente perforados. Al elegir el tamaño y la ubicación de los orificios, los investigadores pueden controlar las propiedades de la luz que viaja a través del cristal, incluso creando una pequeña cavidad donde los fotones pueden quedar atrapados y rebotar.
"Estos cristales fotónicos pueden concentrar la luz en un volumen extremadamente pequeño, lo que permite que los dispositivos funcionen en el límite cuántico fundamental donde un solo fotón puede marcar una gran diferencia", dice Waks.
Los resultados también se basan en estudios previos sobre cómo los pequeños nanocristales diseñados llamados puntos cuánticos pueden manipular la luz. Estas pequeñas regiones se comportan como átomos artificiales y también pueden atrapar electrones en un espacio reducido. Un trabajo previo del grupo JQI mostró que los puntos cuánticos podríanalteran las propiedades de muchos fotones y cambian rápidamente la dirección de un haz de luz.
El nuevo experimento combina la captura de luz de cristales fotónicos con la captura de electrones de puntos cuánticos. El grupo utilizó un cristal fotónico puntuado por agujeros de solo 72 nanómetros de ancho, pero dejó tres agujeros sin perforar en una región del cristal. Esto creóun defecto en la cuadrícula regular de agujeros que actuaba como una cavidad, y solo aquellos fotones con solo una cierta energía podían entrar y salir.
Dentro de esta cavidad, incrustado en capas de semiconductores, un punto cuántico contenía un electrón. El espín de ese electrón, una propiedad cuántica de la partícula que es análoga al movimiento de una peonza, controlaba lo que sucedía con los fotones inyectadosen la cavidad mediante un láser. Si el giro apuntaba hacia arriba, un fotón entraba en la cavidad y la dejaba sin cambios. Pero cuando el giro apuntaba hacia abajo, cualquier fotón que entraba en la cavidad salía con una polarización inversa: la dirección en la que el campo eléctrico de la luzpuntos. La interacción también funcionó de manera opuesta: un solo fotón preparado con una cierta polarización podría cambiar el espín del electrón.
Ambos procesos son ejemplos de conmutadores cuánticos, que modifican los qubits almacenados por el electrón y el fotón de forma controlada. Tales conmutadores serán la moneda del reino para las futuras computadoras cuánticas y redes cuánticas propuestas.
redes cuánticas
Esas redes podrían aprovechar las fortalezas que los fotones y electrones ofrecen como qubits. En el futuro, por ejemplo, los electrones podrían usarse para almacenar y procesar información cuántica en una ubicación, mientras que los fotones podrían transportar esa información entre diferentes partes delred.
Dichos enlaces podrían permitir la distribución del entrelazamiento, la conexión enigmática que pueden compartir grupos de qubits distantes separados. Y ese entrelazamiento podría permitir otras tareas, como realizar cálculos cuánticos distribuidos, teletransportar qubits a grandes distancias o establecer claves secretas que dos partespodría utilizar para comunicarse de forma segura.
Sin embargo, antes de eso, Sun dice que la interfaz luz-materia que él y sus colegas han creado debe crear un entrelazamiento entre los qubits de electrones y fotones, un proceso que requerirá mediciones más precisas para demostrarlo definitivamente.
"El objetivo final será integrar la creación y el enrutamiento de fotones en el chip mismo", dice Sun. "De esa manera, podríamos crear dispositivos cuánticos y circuitos cuánticos más complicados".
Además de Waks y Sun, el artículo cuenta con dos coautores adicionales: Glenn Solomon, miembro de JQI, y Hyochul Kim, investigador postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Maryland.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Cuántico Conjunto . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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