Arrojando luz sobre la fotónica cuántica

imagen: Una matriz de fuentes de fotones individuales a pedido integradas de manera determinista con fotónica basada en silicio, creada a partir de la integración híbrida de materiales 2D con resonadores de nitruro de silicio.
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Crédito: Crédito: The Moody Lab, UCSB

(Su capacidad de ocurrir en dos estados a la vez podría aumentar drásticamente la potencia y la eficiencia en muchas aplicaciones.

Sin embargo, desde una perspectiva de desarrollo, los dispositivos cuánticos de hoy son «más o menos donde estaba la computadora en la década de 1950», es decir, el comienzo. Eso es según Kamyar Parto, un Ph.D. de sexto año. estudiante del laboratorio UC Santa Barbara de Galan Moody, experto en fotónica cuántica y profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática. Parto es coautor principal de un artículo publicado en la revisión Nano-letrasdescribiendo un avance clave: el desarrollo de una especie de «fábrica» ​​en el chip para producir un flujo constante y rápido de fotones individuales, esencial para habilitar las tecnologías cuánticas basadas en la fotónica.

Parto explica que en las primeras etapas del desarrollo de la computadora, «los investigadores acababan de hacer el transistor y tenían ideas sobre cómo hacer un interruptor digital, pero la plataforma era bastante débil. Diferentes grupos desarrollaron diferentes plataformas y finalmente todos convergieron en CMOS ( semiconductor de óxido de metal complementario) Luego tuvimos la gran explosión en torno a los semiconductores.

“La tecnología cuántica está en un lugar similar: tenemos la idea y una idea de lo que podríamos hacer con ella, y hay muchas plataformas competidoras, pero aún no hay un ganador claro”, continuó. “Tienes qubits superconductores, qubits de espín de silicio, qubits de espín electrostático y computadoras cuánticas basadas en trampas de iones. Microsoft está tratando de crear qubits topológicamente protegidos, y en Moody Lab estamos trabajando en fotónica cuántica.

Parto predice que la plataforma ganadora será una combinación de diferentes plataformas, dado que cada una es poderosa pero también tiene limitaciones. «Por ejemplo, es muy fácil transferir información usando fotónica cuántica porque a la luz le gusta moverse», dijo. “Sin embargo, un qubit giratorio hace que sea más fácil almacenar información y hacer ‘cosas’ locales, pero no puedes mover esos datos. Entonces, ¿por qué no tratamos de usar la fotónica para transferir datos desde la plataforma que los almacena mejor y luego los transformamos nuevamente a otro formato una vez que están allí? »

Los qubits, esos controladores de tecnologías cuánticas de comportamiento extraño, son, por supuesto, diferentes de los bits clásicos, que solo pueden existir en un solo estado de cero o uno. Los qubits pueden ser uno y cero simultáneamente. En el campo de la fotónica, dijo Parto, se puede hacer que un solo fotón exista (estado uno) y no exista (estado cero).

Esto se debe a que un solo fotón constituye lo que se denomina un sistema de dos niveles, lo que significa que puede existir en un estado cero, un estado o cualquier combinación, como 50 % uno y 50 % cero, o tal vez 80 % uno y 20 % cero. Esto se puede hacer de forma rutinaria en Moody Group. El desafío es generar y recolectar fotones individuales con una eficiencia muy alta, por ejemplo, enrutándolos a un chip usando guías de ondas. Las guías de ondas hacen exactamente lo que sugiere su nombre, guiando la luz hacia donde debe ir, al igual que los cables guían la electricidad.

Parto explicó: «Si colocamos estos fotones individuales en muchas guías de ondas diferentes, mil fotones individuales en cada guía de ondas, y coreografíamos la forma en que los fotones se mueven a lo largo de las ondas de las guías de ondas en el chip, podemos hacer un cálculo cuántico».

Si bien es relativamente simple usar guías de ondas para enviar fotones a un chip, aislar un solo fotón no es fácil y configurar un sistema que produzca miles de millones de ellos de manera rápida y eficiente es mucho más difícil. El nuevo artículo describe una técnica que utiliza un fenómeno particular para generar fotones individuales con una eficiencia mucho mayor que la lograda anteriormente.

«El trabajo es amplificar la generación de estos fotones individuales para que se vuelvan útiles para aplicaciones reales», dijo Parto. «El avance descrito en este documento es que ahora podemos generar de manera confiable fotones individuales a temperatura ambiente de una manera que se presta a CMOS (proceso de producción en masa)».

Hay diferentes formas de generar fotones individuales, pero Parto y sus colegas lo hacen mediante el uso de defectos en ciertos materiales semiconductores bidimensionales (2D), que tienen solo un átomo de espesor, esencialmente eliminando un poco de material para crear un defecto.

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«Si haces brillar una luz (generada por un láser) sobre el tipo correcto de defecto, el material responderá emitiendo fotones individuales», dijo Parto, y agregó: «El defecto en el material actúa como lo que se llama un estado límite de velocidad, que le permite comportarse como una fábrica para emitir fotones individuales, uno a la vez. Se puede producir un fotón cada tres a cinco nanosegundos, pero los investigadores aún no están seguros de la tasa, y Parto, quien obtuvo su Ph.D. Sobre el tema de la ingeniería de tales defectos, dice que el ritmo actual podría ser mucho más lento.

Una gran ventaja de los materiales 2D es que se prestan a la integración de defectos en ubicaciones específicas. Además, Parto dijo: “Los materiales son tan delgados que se pueden recoger y poner en cualquier otro material sin estar limitado por la geometría de la red de un material cristalino 3D. Esto hace que el material 2D sea muy fácil de integrar, una capacidad que mostramos en este artículo.

Para fabricar un dispositivo útil, el defecto en el material 2D debe colocarse en las guías de ondas con extrema precisión. «Hay un punto en el material que produce luz a partir de un defecto», señaló Parto, «y tenemos que convertir ese único fotón en una guía de ondas».

Los investigadores intentan hacer esto de varias maneras, como colocar el material en la guía de ondas y luego buscar un solo defecto existente, pero incluso si el defecto está alineado con precisión y en la posición correcta, la eficiencia de extracción será de solo 20 al 30%. Esto se debe a que el único defecto solo puede emitir a una velocidad específica y parte de la luz se emite en ángulos oblicuos, en lugar de en línea recta a lo largo del camino hacia la guía de ondas. El límite superior teórico de este diseño es solo del 40 %, pero la fabricación de un dispositivo útil para aplicaciones de información cuántica requiere una eficiencia de extracción del 99,99 %.

“La luz de un defecto brilla inherentemente en todas partes, pero preferimos que brille en estas guías de ondas”, explicó Parto. “Tenemos dos opciones. Si coloca guías de ondas sobre el defecto, tal vez entre el diez y el quince por ciento de la luz iría a las guías de ondas. No es suficiente. Pero hay un fenómeno físico, llamado efecto Purcell, que podemos usar para aumentar esta eficiencia y dirigir más luz a la guía de ondas. Para ello, coloque el defecto dentro de una cavidad óptica; en nuestro caso, tiene la forma de un resonador de microanillo, que es una de las únicas cavidades que le permite acoplar luz dentro y fuera de una guía de ondas.

«Si la cavidad es lo suficientemente pequeña», agregó, «eliminará las fluctuaciones de vacío del campo electromagnético, y estas fluctuaciones hacen que los fotones se emitan espontáneamente desde el defecto en un modo de luz. Al comprimir esta fluctuación cuántica en una cavidad de volumen finito , la fluctuación sobre el defecto aumenta, lo que hace que emita luz preferentemente en el anillo, donde se acelera y se vuelve más brillante, lo que aumenta la eficiencia de extracción.

En los experimentos con el resonador de microanillo que se realizaron para este artículo, el equipo logró una eficiencia de extracción del 46 %, lo que representa un aumento de orden de magnitud con respecto a informes anteriores.

“Estos resultados nos alientan mucho, ya que los emisores de un solo fotón en materiales 2D abordan algunos de los principales desafíos que enfrentan otros materiales en términos de escalabilidad y capacidad de fabricación”, dijo Moody. «A corto plazo, exploraremos su uso para algunas aplicaciones diferentes en las comunicaciones cuánticas, pero a largo plazo, nuestro objetivo es continuar desarrollando esta plataforma para redes y computación cuánticas».

Para ello, el grupo debe mejorar su eficiencia por encima del 99%, y lograrlo requerirá anillos resonadores de nitruro de mayor calidad. «Para mejorar la eficiencia, debe alisar el anillo a medida que lo corta de la película de nitruro de silicio», explicó Parto. «Sin embargo, si el material en sí no es completamente cristalino, incluso si intenta suavizarlo a nivel atómico, las superficies aún pueden aparecer ásperas y esponjosas, lo que hace que la luz se disperse».

Si bien algunos grupos obtienen el nitruro de la más alta calidad comprándolo de empresas que lo cultivan a la perfección, Parto explicó: «Tenemos que cultivarlo nosotros mismos, porque tenemos que colocar el defecto debajo del material y, además, usamos un tipo especial de nitruro de silicio». sistema que minimiza la luz de fondo para aplicaciones de un solo fotón, y las empresas no lo hacen.

Parto puede hacer crecer sus nitruros en un horno de deposición de vapor químico mejorado con plasma en la sala limpia de UCSB, pero debido a que es una instalación compartida muy utilizada, no puede personalizar ciertos parámetros que le permitirían cultivar materiales de calidad suficiente. El plan, dice, es usar esos resultados para solicitar nuevas subvenciones que «obtendrían nuestras propias herramientas y contratarían estudiantes para hacer este trabajo».


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