Dmitry Fedyanin del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y Mario Agio de la Universidad de Siegen y LENS han pronosticado que los defectos artificiales en la red cristalina del diamante pueden convertirse en emisores cuánticos ultrabrillantes y extremadamente eficientes impulsados eléctricamente. Su trabajo publicadoen Nueva revista de física demuestra el potencial para una serie de avances tecnológicos, incluido el desarrollo de computadoras cuánticas y líneas de comunicación seguras, que, en contraste con los esquemas previamente propuestos, podrían operar a temperatura ambiente.
La investigación realizada por Dmitry Fedyanin y Mario Agio se centra en el desarrollo de fuentes eficientes de un solo fotón accionadas eléctricamente, dispositivos que emiten fotones individuales cuando se aplica una corriente eléctrica. En otras palabras, usando tales dispositivos, uno puede generarun fotón "a pedido" simplemente aplicando un pequeño voltaje a través de los dispositivos, la probabilidad de una salida de cero fotones es muy baja y la generación de dos o más fotones simultáneamente es fundamentalmente imposible.
Hasta hace poco, se pensaba que los puntos cuánticos partículas semiconductoras a nanoescala son los candidatos más prometedores para verdaderas fuentes de fotón único. Sin embargo, operan solo a temperaturas muy bajas, que es su principal inconveniente: la aplicación de masa no seríaes posible si un dispositivo tiene que enfriarse con nitrógeno líquido o incluso con helio líquido más frío, o utilizando unidades de refrigeración, que son aún más caras y requieren mucha energía. Al mismo tiempo, se sabía que ciertos defectos puntuales en la red cristalina del diamante, que ocurre cuando átomos extraños como el silicio o el nitrógeno ingresan al diamante accidentalmente o mediante una implantación dirigida, pueden emitir fotones individuales de manera eficiente a temperatura ambiente. Sin embargo, esto solo se ha logrado mediante la excitación óptica de estos defectos utilizando láseres externos de alta potenciaEste método es ideal para la investigación en laboratorios científicos, pero es muy ineficiente en dispositivos prácticos. Por otro lado, los experimentos con excitación eléctrica nobrindan los mejores resultados: en términos de brillo, las fuentes de diamantes perdieron significativamente en varios órdenes de magnitud a los puntos cuánticos.Como no había teorías que describieran la emisión de fotones de los centros de color en los diamantes bajo excitación eléctrica, no fue posible evaluar el potencial de estas fuentes de fotones individuales para ver si podrían usarse como base para los dispositivos cuánticos del futuro.
La nueva publicación da una respuesta afirmativa: los defectos en la estructura del diamante a nivel atómico se pueden usar para diseñar fuentes de un solo fotón altamente eficientes que sean aún más prometedoras que sus contrapartes basadas en puntos cuánticos.
La operación a nivel de fotón simple no solo aumentará la eficiencia energética de los dispositivos de procesamiento y transmisión de datos existentes en más de mil veces, sino que también sentará las bases para el desarrollo de nuevos dispositivos cuánticos.todavía es una perspectiva del futuro, pero ya se están comenzando a utilizar líneas de comunicación seguras basadas en criptografía cuántica. Sin embargo, hoy en día no utilizan fuentes de fotones únicos, sino que se basan en lo que se conoce como láseres atenuados. Esto significa queno solo existe una alta probabilidad de enviar cero fotones a un canal, lo que reduce en gran medida la velocidad de transferencia de datos, sino que también hay una alta probabilidad de enviar dos, tres, cuatro o más cuantos de luz simultáneamente. Uno podría interceptar estos ""fotones adicionales" y ni el emisor ni el destinatario sabrían al respecto. Esto hace que el canal de comunicación sea vulnerable al espionaje y la criptografía cuántica pierde su principal ventaja:seguridad fundamental contra todo tipo de ataques.
Para la computación cuántica también es esencial tener la capacidad de manipular fotones individuales. El cuántico de luz se puede usar para representar un qubit, la unidad fundamental del procesamiento de información cuántica, que es una superposición de dos o más cuánticos.estados. Por ejemplo, un qubit puede codificarse en la polarización de un solo fotón. La ventaja del paradigma de la computación cuántica óptica es que uno puede combinar de manera nativa los cálculos cuánticos con la comunicación cuántica y diseñar supercomputadores cuánticos grandes, escalables y de alto rendimiento, queno es posible hacerlo utilizando otros sistemas físicos, como circuitos superconductores o iones atrapados.
Dmitry Fedyanin y Mario Agio son los primeros en revelar con éxito el mecanismo de electroluminiscencia de los centros de color en el diamante y desarrollar un marco teórico para cuantificarlo. Descubrieron que no todos los estados de los centros de color pueden excitarse eléctricamente, a pesar de quepuede ser "accesible" bajo excitación óptica. Esto se debe a que, bajo bombeo óptico, los defectos se comportan como átomos o moléculas aisladas como hidrógeno o helio, prácticamente sin interacción con el cristal de diamante. La excitación eléctrica, por otro lado, se basa enel intercambio de electrones entre el defecto y el cristal de diamante. Esto no solo trae limitaciones, sino que también abre nuevas posibilidades. Por ejemplo, según los investigadores, ciertos defectos pueden emitir en serie dos fotones en dos longitudes de onda diferentes desde dos estados de carga diferentes enun solo acto del proceso de electroluminiscencia, esta característica podría conducir al desarrollo de una clase fundamentalmente nueva de dispositivos cuánticoseso simplemente no se había tenido en cuenta antes porque estos procesos no son posibles con la excitación óptica de los centros de color.Pero el resultado más importante del estudio es que los investigadores descubrieron por qué la emisión de fotones únicos de alta intensidad desde los centros de color no se observó bajo bombeo eléctrico.La razón de esto fue el proceso tecnológicamente complejo de dopaje de diamantes por fósforo, que no puede proporcionar una densidad suficientemente alta de electrones de conducción en diamantes.
Los cálculos muestran que utilizando tecnologías modernas de dopaje es posible crear una fuente brillante de un solo fotón con una tasa de emisión de más de 100,000 fotones por segundo a temperatura ambiente. Es realmente notable que la tasa de emisión solo aumente a medida que la temperatura del dispositivoaumenta el logro de más de 100 millones de fotones por segundo a 200 grados Celsius ". Nuestra fuente de fotones únicos es uno de los pocos, si no el único dispositivo optoelectrónico que debe calentarse para mejorar su rendimiento, y el efecto de la mejora es tan altocomo tres órdenes de magnitud. Normalmente, los dispositivos electrónicos y ópticos deben enfriarse uniendo disipadores de calor con ventiladores o colocándolos en nitrógeno líquido ", dice Dmitry Fedyanin, del Laboratorio de Nanoóptica y Plasmónica del MIPT. Según él,La mejora tecnológica del dopaje con diamantes aumentará aún más el brillo 10-100 veces.
Cien millones de fotones son muy bajos en comparación con las fuentes de luz domésticas por ejemplo, una bombilla normal emite más de 10 ^ 18 fotones por segundo, pero debe enfatizarse que todo el flujo de fotones es creado por un pequeño ~ 10^ -10 metros de tamaño defecto en la red cristalina del diamante y, a diferencia de una bombilla, los fotones siguen estrictamente uno tras otro. Para las computadoras cuánticas mencionadas anteriormente, alrededor de diez mil fotones por segundo serían suficientes, la posibilidad deel desarrollo de una computadora cuántica está actualmente limitado por factores completamente diferentes. Sin embargo, en las líneas de comunicación cuántica, el uso de fuentes de un solo fotón de diamante accionadas eléctricamente no solo garantizará una seguridad completa, sino que también aumentará en gran medida la velocidad de transferencia de información en comparación confuentes de pseudo fotón único basadas en láseres atenuados utilizados hoy.
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Materiales proporcionado por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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