Efectos de la mecánica cuántica, incluido el entrelazamiento de dos partículas (un fenómeno en el que estados separados
Dos grupos independientes de investigadores han anunciadocreando fuentes de fotones individuales que son necesarios para la transmisión de datos en una red cuántica. Investigadores alemanes del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y de la Universidad Técnica de Munich utilizaron átomos de erbio incrustados en un cristal de silicio, que producen luz con una frecuencia correspondiente a las redes de comunicaciones modernas.
E ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts.El instituto utiliza nanocristales de perovskita, cuya producción es fácil de escalar. Sin embargo, no requieren un enfriamiento extremo y pueden funcionar a temperatura ambiente.
¿Qué es una red cuántica?
Las computadoras cuánticas teóricamente pueden realizartareas que no se pueden resolver ni siquiera en las supercomputadoras más poderosas del mundo. Se pueden utilizar para modelar las propiedades de materiales y sistemas complejos. Pero para lograr resultados verdaderamente significativos, necesitamos una forma eficiente de conectar nodos de información cuántica: procesadores cuánticos distribuidos.
Porque las computadoras cuánticas son fundamentalmenteSe diferencian de los clásicos en que los métodos habituales utilizados para transmitir información no les son directamente aplicables. La información cuántica es más compleja: en lugar de almacenar sólo el valor 0 o 1, como en las computadoras clásicas, un qubit puede tomar simultáneamente los valores 0 y 1 (fenómeno conocido como superposición).
La solución ideal es una red cuántica −un compuesto en el que se lleva a cabo un intercambio directo de qubits de información con la preservación de las propiedades mecánicas cuánticas. La red cuántica vincula los nodos de procesamiento con fotones que pasan a través de interconexiones especiales conocidas como guías de ondas.
La ventaja de tal conexión es quelos dispositivos cuánticos se comunican directamente, lo que permite un procesamiento de datos más rápido. Además, dichas redes se pueden utilizar para la transmisión segura de datos: tan pronto como un atacante intente interceptar la información "codificada" en fotones, las propiedades cuánticas de las partículas se perderán y los datos quedarán inutilizables.
Átomos de erbio en un cristal de silicio
Resonador cuántico basado en un cristal de silicio. Imagen: MCQST
Ingenieros alemanes han desarrollado una ópticaun resonador para redes cuánticas basado en un cristal de silicio dopado con átomos de erbio. El desarrollo sigue un estudio previo realizado por el mismo grupo sobre la incorporación de átomos de tierras raras individuales en silicio cristalino utilizando una temperatura relativamente baja (alrededor de 500 ° C) para garantizar que una gran cantidad de átomos de erbio no se agrupen en la red de silicio.
En un nuevo estudio cuyos resultadospublicado en la revista Optica, los investigadores demostraron que usando tales cristales es posible generar fotones individuales con las propiedades deseadas. Los átomos de erbio colocados en un cristal de silicio tienen excelentes propiedades ópticas, señalan los autores del estudio. Emiten luz con una longitud de onda de 1536 nm. Esto es casi idéntico a la luz que se usa para transmitir datos en las redes de fibra óptica clásicas.
Los ingenieros han desarrollado un resonador dopadoerbio, que se diferencia de los diseños convencionales en que no contiene espejos. En su lugar, se utiliza un patrón regular de agujeros de tamaño nanométrico en silicio cristalino. Esto significa que todo el resonador tiene solo unas pocas micras de largo y contiene solo unas pocas decenas de átomos de erbio. Al conectar un resonador a una fibra óptica y excitar átomos con un láser, los investigadores demostraron que se pueden emitir fotones individuales con las características deseadas.
Los investigadores señalan dos beneficios principales,lo que, según dicen, convierte al silicio dopado con erbio en "un candidato ideal para construir redes cuánticas". En primer lugar, se basa en un material clásico que se utiliza ampliamente en la producción de semiconductores, lo que significa que la creación a gran escala de los componentes necesarios no requerirá la creación de nuevas instalaciones de producción complejas.
Y en segundo lugar, el sistema opera en relativamentetemperatura alta (para tecnologías cuánticas): alrededor de 8 K (-265 ° C). A diferencia de los sistemas que operan cerca del cero absoluto, tales condiciones son más fáciles de crear enfriando en un criostato de helio líquido.
Perovskitas como fuentes de fotones individuales
Nanocristales de perovskita. Imagen: MIT
Investigadores del MIT proponen una alternativaEl material para crear redes cuánticas son las perovskitas. Este material ya se ha establecido ampliamente como una alternativa potencial al silicio en las células solares. En un estudio publicado en la revista Nature Photonics, los ingenieros demostraron que también podían generar un flujo de fotones idénticos.
Para su estudio, los físicos utilizaronnanopartículas de perovskita de halita de plomo. Las células fotovoltaicas utilizan películas delgadas de este material y, en forma de nanopartículas, tienen una tasa increíblemente alta de radiación criogénica, lo que las distingue de otras nanopartículas semiconductoras coloidales. Cuanto más rápido se emite la luz, más probable es que la señal de salida tenga una función de onda bien definida, lo cual es esencial para las redes cuánticas.
Para comprobar que los fotones songenerar realmente tienen las propiedades deseadas, los investigadores realizaron una prueba estándar. Consiste en detectar un tipo especial de interferencia entre dos fotones, el efecto Hong-Wu-Mandela. Los resultados del experimento confirmaron que la fuente emite luz cuántica.
Los investigadores señalan que hasta el momento la instalación no ha sidoes perfecto y funciona con interferencias, pero confían en que esto se puede superar colocando perovskitas en una cavidad óptica, un efecto que funciona con otros materiales.
Al mismo tiempo, los investigadores notan la ventajatecnología en facilidad de producción. “La razón por la que otras fuentes son coherentes es porque están hechas de los materiales más puros y una tras otra, átomo por átomo. Así que tenemos una escalabilidad muy pobre y una reproducibilidad muy pobre”, dice Alexander Kaplan, coautor del estudio. Por el contrario, las nanopartículas de perovskita se fabrican en solución y simplemente se aplican a un material de sustrato. Además, dichas fuentes funcionan a temperatura ambiente y no requieren refrigeración.
Ambas tecnologías propuestas aún no estánuna solución lista para construir redes cuánticas. Pero este es un paso en la dirección correcta. El hecho de que diferentes grupos de investigadores de todo el mundo estén desarrollando tecnologías alternativas y tratando de encontrar una solución que sea relativamente barata y fácil de escalar sugiere que las redes cuánticas pronto pueden convertirse en una realidad.
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Imagen de portada: C. Hohmann, MCQST