Un nuevo dispositivo que consta de un anillo semiconductor produce pares de fotones entrelazados que podrían usarse en un procesador cuántico fotónico
(Physics)-Las fuentes de luz cuánticas producen pares de fotones entrelazados que pueden utilizarse en computación cuántica y criptografía. Un nuevo experimento ha demostrado una fuente de luz cuántica fabricada a partir del semiconductor nitruro de galio. Este material proporciona una plataforma versátil para la fabricación de dispositivos, ya que anteriormente se había utilizado para láseres, detectores y guías de ondas en chips. Combinada con estos otros componentes ópticos, la nueva fuente de luz cuántica abre la posibilidad de construir un circuito cuántico complejo, como un procesador cuántico fotónico, en un solo chip.
La óptica cuántica es un campo que avanza rápidamente, con muchos experimentos que utilizan fotones para transportar información cuántica y realizar cálculos cuánticos. Sin embargo, para que los sistemas ópticos compitan con otras tecnologías de información cuántica, los dispositivos de óptica cuántica deberán reducirse del tamaño de una mesa al tamaño de un microchip. Un paso importante en esta transformación es el desarrollo de la generación de luz cuántica en un chip semiconductor. Varios equipos de investigación han logrado esta hazaña utilizando materiales como arseniuro de galio y aluminio, fosfuro de indio y carburo de silicio. Y, sin embargo, un circuito fotónico totalmente integrado requerirá una variedad de componentes además de fuentes de luz cuánticas.
Con el objetivo de construir un circuito tan completo, Qiang Zhou, de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, y sus colegas pusieron sus miras en el nitruro de galio. Este material es bien conocido por su uso en los primeros LED azules, un desarrollo que fue reconocido con el Premio Nobel de Física de 2014 (ver Notas de los editores: El azul era el color más difícil ). Trabajos recientes han demostrado que el nitruro de galio cultivado en zafiro se puede utilizar para una serie de funciones ópticas cuánticas, como láser, filtrado óptico y detección de fotón único. «La plataforma de nitruro de galio ofrece perspectivas prometedoras para el avance de chips cuánticos fotónicos en un futuro próximo», afirma Zhou.
Para crear una fuente de luz cuántica de nitruro de galio, Zhou y sus colegas cultivaron una película del material sobre un sustrato de zafiro y luego grabaron un anillo de 120 µm de diámetro en la película. En esta estructura, los fotones pueden viajar alrededor del anillo, de forma similar a como las ondas sonoras viajan alrededor de las paredes curvas de una galería susurrante (ver Punto de vista: Pequeños resonadores generan un gran espectro óptico ). Junto al anillo, los investigadores grabaron una guía de ondas para transmitir luz láser infrarroja. Un acoplamiento entre los dos elementos ópticos permite que algunos fotones láser pasen de la guía de ondas al anillo.
En los experimentos, un detector registró el espectro de la luz de salida de la guía de ondas, revelando caídas discretas en múltiples longitudes de onda. Esas caídas correspondían a resonancias en el anillo, cuando la longitud de onda de un fotón particular encaja un número entero de veces dentro de la circunferencia del anillo. Los fotones resonantes en la guía de ondas pueden entrar en el anillo y quedar atrapados en su interior.
Sin embargo, gracias a un efecto llamado mezcla de cuatro ondas (ver Sinopsis: Matchmaking fotónico ), los pares de fotones resonantes que ingresan al anillo a veces pueden aniquilarse, lo que provoca que se cree un nuevo par de fotones resonantes (en diferentes longitudes de onda) y salgan a través de la guía de ondas. . Se espera que los dos fotones de cada par saliente estén entrelazados entre sí. Para verificar este entrelazamiento, el equipo realizó mediciones en pares de fotones coincidentes, mostrando que generan un patrón de interferencia (franjas de franjas claras y oscuras) cuando se toman imágenes. (Por el contrario, los pares no entrelazados producirían un punto amplio y brillante).
El nivel de interferencia, caracterizado por la cantidad de contraste entre las franjas claras y oscuras, es una medida del grado de entrelazamiento de los fotones. El grado de entrelazamiento producido por el anillo de nitruro de galio fue comparable al nivel medido para otras fuentes de luz cuánticas, dice Zhou. «Demostramos que el nitruro de galio es una buena plataforma de material cuántico para la información cuántica fotónica, en la que la generación de luz cuántica es crucial», afirma.
«La óptica cuántica ha evolucionado a un ritmo tremendo en los últimos años», afirma el experto en óptica cuántica Thomas Walther, de la Universidad Técnica de Darmstadt, en Alemania. Dice que avanzar requerirá componentes pequeños, robustos, eficientes y relativamente fáciles de fabricar. Con este fin, Zhou y sus colegas han demostrado que el nitruro de galio es un material prometedor para fabricar la fuente de bomba, la fuente de luz cuántica y los detectores de fotón único. Tener una plataforma para todos estos dispositivos “constituiría un gran paso adelante, ya que podría reducir el coste de fabricación de dichos sistemas, además de hacerlos mucho más compactos y resistentes de lo que son hoy”, afirma.
Fuente: Michael Schirber-Michael Schirber es editor correspondiente de la revista Physics con sede en Lyon, Francia.
Referencias
- Zeng y col. , “Generación de luz cuántica basada en microanillos de GaN hacia una fuente totalmente en chip”, Phys. Rev. Lett. 132 , 133603 (2024) .
