Un equipo internacional dirigido por el Instituto de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago ha descubierto cómo manipular una extraña interfaz cuántica entre la luz y la materia en el carburo de silicio a lo largo de las longitudes de onda utilizadas en las telecomunicaciones.
El trabajo avanza la posibilidad de aplicar principios de mecánica cuántica a redes de fibra óptica existentes para comunicaciones seguras y computación cuántica distribuida geográficamente. El profesor David Awschalom y sus 13 coautores anunciaron su descubrimiento en la edición del 23 de junio de Revisión física X .
"El carburo de silicio se usa actualmente para construir una amplia variedad de dispositivos electrónicos clásicos en la actualidad", dijo Awschalom, profesor de la familia Liew en Ingeniería Molecular en UChicago y científico principal del Laboratorio Nacional Argonne. "Todos los protocolos de procesamiento están en su lugarpara fabricar pequeños dispositivos cuánticos a partir de este material. Estos resultados ofrecen un camino para llevar la física cuántica al mundo tecnológico ".
Los hallazgos se basan en parte en modelos teóricos de los materiales realizados por los coautores de Awschalom en la Academia de Ciencias de Hungría en Budapest. Otro grupo de investigación en la Universidad de Linköping de Suecia cultivó gran parte del material de carburo de silicio que el equipo de Awschalom probó en experimentos en UChicagoY otro equipo de los Institutos Nacionales de Ciencia y Tecnología Cuántica y Radiológica de Japón ayudó a los investigadores de UChicago a crear defectos cuánticos en los materiales al irradiarlos con haces de electrones.
La mecánica cuántica gobierna el comportamiento de la materia en los niveles atómico y subatómico de formas exóticas y contradictorias en comparación con el mundo cotidiano de la física clásica. El nuevo descubrimiento depende de una interfaz cuántica dentro de los defectos a escala atómica en el carburo de silicio que genera el frágilpropiedad del entrelazamiento, uno de los fenómenos más extraños predichos por la mecánica cuántica.
El entrelazamiento significa que dos partículas pueden estar tan inextricablemente conectadas que el estado de una partícula puede influir instantáneamente en el estado de la otra, sin importar qué tan lejos estén.
"Esta naturaleza no intuitiva de la mecánica cuántica podría explotarse para garantizar que las comunicaciones entre dos partes no sean interceptadas o alteradas", dijo Awschalom.
Los hallazgos mejoran la oportunidad inesperada de crear y controlar estados cuánticos en materiales que ya tienen aplicaciones tecnológicas, señaló Awschalom. La búsqueda del potencial científico y tecnológico de tales avances se convertirá en el enfoque del recientemente anunciado Chicago Quantum Exchange, que Awschalomdirigirá.
Un aspecto especialmente intrigante del nuevo artículo fue que los defectos de los semiconductores de carburo de silicio tienen una afinidad natural por mover información entre la luz y el espín una propiedad magnética de los electrones ". Una clave desconocida siempre ha sido si podríamos encontrar una manera de convertirsus estados cuánticos a la luz ", dijo David Christle, un becario postdoctoral en la Universidad de Chicago y autor principal del trabajo." Sabíamos que debería existir una interfaz luz-materia, pero podríamos haber tenido mala suerte y la encontramos intrínsecamente inadecuadapara generar enredos. Fuimos muy fortuitos en que las transiciones ópticas y el proceso que convierte el espín en luz es de muy alta calidad. "
El defecto es un átomo faltante que hace que los átomos cercanos en el material reordenen sus electrones. El átomo faltante, o el defecto en sí, crea un estado electrónico que los investigadores controlan con un láser infrarrojo sintonizable.
"Lo que básicamente significa cualidad es: ¿Cuántos fotones puedes obtener antes de haber destruido el estado cuántico del espín?", Dijo Abram Falk, investigador del IBM Thomas J. Watson Resarch Center en Yorktown Heights, NY, quienestá familiarizado con el trabajo pero no es coautor del artículo.
Los investigadores de UChicago descubrieron que potencialmente podrían generar hasta 10,000 fotones, o paquetes de luz, antes de que destruyeran el estado de giro. "Eso sería un récord mundial en términos de lo que podría hacer con uno de estos tipos de estados defectuosos", Agregó Falk.
El equipo de Awschalom pudo convertir en luz el estado cuántico de la información de los espines de un solo electrón en obleas comerciales de carburo de silicio y leerlo con una eficiencia de aproximadamente el 95 por ciento.
La duración del estado de giro, llamado coherencia, que logró el equipo de Awschalom fue de un milisegundo. No mucho para los estándares de reloj, pero sí mucho en el ámbito de los estados cuánticos, en los que se pueden realizar múltiples cálculos en un nanosegundo., o una mil millonésima de segundo.
La hazaña abre nuevas posibilidades en el carburo de silicio porque sus defectos a nanoescala son una plataforma líder para nuevas tecnologías que buscan utilizar propiedades mecánicas cuánticas para el procesamiento de información cuántica, detección de campos magnéticos y eléctricos y temperatura con resolución a nanoescala, y comunicaciones seguras utilizando luz..
"Hay una industria de electrónica de potencia de aproximadamente mil millones de dólares construida sobre carburo de silicio", dijo Falk. "Después de este trabajo, existe la oportunidad de construir una plataforma para la comunicación cuántica que aproveche estos dispositivos clásicos muy avanzados en la industria de los semiconductores".él dijo.
La mayoría de los investigadores que estudian defectos para aplicaciones cuánticas se han centrado en un defecto atómico en el diamante, que se ha convertido en un popular banco de pruebas de luz visible para estas tecnologías.
"El diamante ha sido esta enorme industria de trabajo de control cuántico", señaló Falk. Docenas de grupos de investigación en todo el país han pasado más de una década perfeccionando el material para lograr los estándares que el grupo de Awschalom ha dominado en carburo de silicio después de solo unos pocos años.de investigación.
"Hay muchas formas diferentes de carburo de silicio, y algunas de ellas se usan comúnmente hoy en día en electrónica y optoelectrónica", dijo Awschalom. "Los estados cuánticos están presentes en todas las formas de carburo de silicio que hemos explorado. Esto es un buen augurio paraintroduciendo efectos de la mecánica cuántica en tecnologías tanto electrónicas como ópticas ".
Los investigadores ahora comienzan a preguntarse si este tipo de física también puede funcionar en otros materiales, señaló Falk.
"Además, ¿podemos diseñar racionalmente un defecto que tenga las propiedades que queremos, no simplemente tropezar con uno?", Preguntó.
Los defectos son la clave.
"Durante décadas, la industria electrónica ha ideado una gran cantidad de trucos para eliminar todos los defectos de sus dispositivos porque los defectos a menudo causan problemas en la electrónica convencional", explicó Awschalom. "Irónicamente, estamos volviendo a colocar los defectos ensistemas. "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Chicago . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :