Los avances en la fotónica cuántica prometen marcar el comienzo de una nueva era de potentes circuitos ópticos.
Con una cantidad tan grande de datos, ¿cómo garantizar la seguridad de los datos sensibles? ¿Cómo podemos utilizar estos datos para resolver grandes desafíos similares, desde la privacidad y la seguridad hasta el cambio climático? Especialmente dadas las capacidades limitadas de las computadoras actuales.
Una opción prometedora es la tecnología informática y de comunicaciones cuánticas emergentes. Sin embargo, para hacer esto, se deben desarrollar ampliamente nuevos y poderosos circuitos de luz cuántica; tales circuitos pueden procesar de manera segura las grandes cantidades de información que generamos todos los días. Investigadores del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la USC lograron el gran avance y ayudaron a hacer posible la tecnología.
En los circuitos convencionales, los electrones con una carga fluyen a lo largo de un camino, mientras que en los circuitos de luz cuántica, se utiliza una fuente de luz para generar partículas de luz individuales, o fotones, a pedido como bits portadores de información (qubits o qubits) ). Estas fuentes de luz son “puntos cuánticos” semiconductores de tamaño nanométrico: pequeños agregados artificiales compuestos de decenas de miles a un millón de átomos, con dimensiones lineales inferiores a una milésima parte del grosor de un cabello humano típico, y enterrados en otro en un semiconductor adecuado. matriz.
Hasta la fecha, han demostrado ser los generadores de fotón único bajo demanda más comunes. El camino óptico requiere que estas fuentes de fotón único estén dispuestas en un patrón regular en un chip semiconductor. A continuación, la fuente de luz debe liberar fotones de casi la misma longitud de onda en la dirección guiada. De esta manera, pueden manipularse para interactuar con otros fotones y partículas para transmitir y procesar información.
Hasta ahora, ha habido importantes obstáculos para el desarrollo de este tipo de circuitos. Por ejemplo, en las técnicas de fabricación actuales, los puntos cuánticos vienen en diferentes tamaños y formas y se ensamblan en ubicaciones aleatorias en un chip. El hecho de que los puntos varíen en tamaño y forma significa que los fotones que emiten no tienen una longitud de onda uniforme. Esto y la falta de secuencia posicional los hacen inadecuados para desarrollar trayectorias de luz.
En un trabajo publicado recientemente, investigadores de la USC han demostrado que los fotones individuales pueden alinearse con tanta precisión que los puntos cuánticos pueden emitir de manera uniforme. Cabe señalar que el método de disposición de puntos cuánticos fue desarrollado por primera vez en la USC hace casi 30 años por el profesor PI Anupam-Maduka y su equipo, mucho antes de la explosión de la actividad de investigación en información cuántica y el desarrollo de sistemas de fotón único en chips. fuentes. El interés llegó mucho antes. En este último trabajo, el equipo de la USC utilizó este método para crear puntos cuánticos individuales cuyas propiedades de emisión de fotón único son notables. Se predice que disposiciones precisas de puntos cuánticos que emiten uniformemente permitirán la producción de circuitos ópticos y podrían conducir a nuevos avances en la computación cuántica y la tecnología de las comunicaciones.
El progreso de la investigación, publicado en APL Photonics, fue dirigido por Jiefei Zhang, actualmente profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Familia Analógica. Los corresponsales son Kenneth T. Norris, profesor de ingeniería, y Anupam Madhukar, profesor de ingeniería química, ingeniería eléctrica, ciencia de materiales y física.
Los puntos cuánticos deben disponerse de forma precisa para que los fotones liberados por dos o más puntos puedan manipularse para conectarse entre sí en el chip. Esto formará la base de los componentes básicos de los circuitos ópticos cuánticos. El trabajo también establece un nuevo récord mundial para puntos cuánticos ordenados y escalables. La pureza de la emisión de un solo fotón es superior al 99,5% y la uniformidad de la longitud de onda de los fotones emitidos puede ser tan estrecha como 1,8 nm, que es de 20 a 40 veces mayor que la de los puntos cuánticos típicos. Con esta uniformidad, los métodos existentes, como el calentamiento localizado o los campos eléctricos, se pueden utilizar para ajustar las longitudes de onda de los fotones de los puntos cuánticos para que coincidan exactamente, lo cual es necesario para crear interconexiones entre diferentes puntos cuánticos.
Esto significa que, por primera vez, los investigadores pueden utilizar tecnología probada de procesamiento de semiconductores para crear chips fotónicos cuánticos escalables. Además, el equipo ahora se está centrando en establecer el mismo grado de fotones emitidos por los mismos y/o diferentes puntos cuánticos. La inresolubilidad está en el corazón de los efectos cuánticos de interferencia y entrelazamiento y es la base del procesamiento de información cuántica: comunicación, detección, imágenes o computación.
Las matrices de fuentes de fotón único confiables en chip bajo demanda son un gran paso adelante, dijo Gernot S. Pomrenke, oficial de fotónica y programa de fotónica en AFOSR.