Los transistores son pequeños interruptores que forman la base de la informática moderna; miles de millones de ellos enrutan señales eléctricas dentro de un teléfono inteligente, por ejemplo.
Las computadoras cuánticas necesitarán un hardware análogo para manipular la información cuántica. Pero las restricciones de diseño para esta nueva tecnología son estrictas, y los procesadores más avanzados de hoy no pueden ser reutilizados como dispositivos cuánticos. Eso es porque los portadores de información cuántica, llamados qubits, deben seguirdiferentes reglas establecidas por la física cuántica.
Los científicos pueden usar muchos tipos de partículas cuánticas como qubits, incluso los fotones que forman la luz. Los fotones han agregado atractivo porque pueden transportar información rápidamente a largas distancias y son compatibles con chips fabricados. Sin embargo, al activar un transistor cuántico se activapor la luz ha sido un desafío porque requiere que los fotones interactúen entre sí, algo que normalmente no ocurre por sí solo.
Ahora, los investigadores de la Escuela de Ingeniería A. James Clark de la Universidad de Maryland y el Instituto Conjunto Quantum JQI, liderados por el Profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática, JQI Fellow, y el Afiliado del Instituto de Investigación en Electrónica y Física Aplicada Edo Waks- He superado este obstáculo y demostró el primer transistor de fotón único usando un chip semiconductor. El dispositivo, descrito en la edición del 6 de julio de ciencia , es compacto; aproximadamente un millón de estos nuevos transistores podrían caber dentro de un solo grano de sal. También es rápido y capaz de procesar 10 mil millones de qubits fotónicos por segundo.
"Usando nuestro transistor, deberíamos poder realizar puertas cuánticas entre fotones", dice Waks. "El software que se ejecuta en una computadora cuántica usaría una serie de tales operaciones para lograr una velocidad exponencial para ciertos problemas computacionales".
El chip fotónico está hecho de un semiconductor con numerosos agujeros en él, lo que hace que parezca un panal. La luz que ingresa al chip rebota y queda atrapada por el patrón de agujeros; un pequeño cristal llamado punto cuántico se encuentra dentro del área dondela intensidad de la luz es más fuerte. De forma análoga a la memoria de la computadora convencional, el punto almacena información sobre los fotones a medida que ingresan al dispositivo. El punto puede aprovechar efectivamente esa memoria para mediar las interacciones de los fotones, lo que significa que las acciones de un fotón afectan a otros que luego lleganen el chip
"En un transistor de un solo fotón, la memoria de puntos cuánticos debe persistir el tiempo suficiente para interactuar con cada qubit fotónico", dice Shuo Sun, autor principal del nuevo trabajo y becario de investigación postdoctoral en la Universidad de Stanford que era un estudiante graduado de la UMD en elmomento de la investigación: "Esto permite que un solo fotón cambie una corriente más grande de fotones, lo cual es esencial para que nuestro dispositivo sea considerado un transistor".
Para probar que el chip funcionaba como un transistor, los investigadores examinaron cómo respondía el dispositivo a los pulsos de luz débiles que generalmente contenían solo un fotón. En un entorno normal, tal luz tenue apenas podría registrarse. Sin embargo, en este dispositivo, un soloel fotón queda atrapado durante mucho tiempo, registrando su presencia en el punto cercano.
El equipo observó que un solo fotón podría, al interactuar con el punto, controlar la transmisión de un segundo pulso de luz a través del dispositivo. El primer pulso de luz actúa como una llave, abriendo la puerta para que el segundo fotón ingrese al chip.Si el primer pulso no contenía fotones, el punto bloqueaba el paso de los fotones posteriores. Este comportamiento es similar a un transistor convencional donde un pequeño voltaje controla el paso de la corriente a través de sus terminales. Aquí, los investigadores reemplazaron con éxito el voltaje conun solo fotón y demostró que su transistor cuántico podía cambiar un pulso de luz que contenía alrededor de 30 fotones antes de que se agotara la memoria del punto cuántico.
Waks dice que su equipo tuvo que probar diferentes aspectos del rendimiento del dispositivo antes de hacer que el transistor funcione. "Hasta ahora, teníamos los componentes individuales necesarios para hacer un solo transistor de fotones, pero aquí combinamos todos los pasos enun solo chip ", dice.
Sun dice que con mejoras de ingeniería realistas, su enfoque podría permitir que muchos transistores de luz cuántica se unan entre sí. El equipo espera que dispositivos tan rápidos y altamente conectados eventualmente conduzcan a computadoras cuánticas compactas que procesen grandes cantidades de qubits fotónicos.
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Materiales proporcionados por Universidad de Maryland . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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