Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colaboradores han dado un nuevo paso adelante en la búsqueda de construir circuitos fotónicos cuánticos:dispositivos basados ​​en chips que se basan en las propiedades cuánticas de la luz para procesar y comunicar información de forma rápida y segura. .

La arquitectura del circuito cuántico ideada por el equipo se encuentra entre las primeras en combinar dos tipos diferentes de dispositivos ópticos, hecho de diferentes materiales, en un solo chip:una fuente de semiconductores que genera de manera eficiente partículas individuales de luz (fotones) a pedido, y una red de "guías de ondas" que transporta esos fotones a través del circuito con bajas pérdidas. Maximizando el número de fotones, idealmente tener propiedades idénticas, es fundamental para habilitar aplicaciones como la comunicación segura, medición de precisión, detección y computación, con un rendimiento potencialmente mayor que el de las tecnologías existentes.

La arquitectura, desarrollado por Marcelo Davanco y otros investigadores del NIST junto con colaboradores de China y el Reino Unido, emplea una estructura semiconductora a escala nanométrica llamada punto cuántico, hecha de arseniuro de indio, para generar fotones individuales en el mismo chip que las guías de ondas ópticas, hechas de nitruro de silicio. La combinación de estos dos materiales requiere técnicas de procesamiento especiales. Tales arquitecturas de circuitos híbridos podrían convertirse en bloques de construcción para sistemas más complejos.

Previamente, Los circuitos fotónicos cuánticos integrados típicamente consistían solo en dispositivos pasivos como guías de ondas y divisores de haz, que dejaban pasar a los fotones o les permitían fusionarse. Los fotones mismos todavía tenían que producirse fuera del chip, y ponerlos en el chip resultó en pérdidas, que degradó significativamente el rendimiento del circuito. Las arquitecturas de circuitos que incluían generación de luz cuántica en un chip incorporaron fuentes que solo producían fotones al azar y a velocidades bajas, lo que limita el rendimiento, o tenían fuentes en las que un fotón no era necesariamente idéntico al siguiente. Además, los procesos de fabricación que respaldan estas arquitecturas anteriores dificultaron la ampliación del número, tamaño y complejidad de los circuitos fotónicos.

A diferencia de, la nueva arquitectura y los procesos de fabricación que el equipo desarrolló deberían permitir a los investigadores construir de manera confiable circuitos más grandes, que podría realizar cálculos o simulaciones más complejos y traducirse en una mayor precisión de medición y sensibilidad de detección en otras aplicaciones.

El punto cuántico empleado por el equipo es una estructura a escala nanométrica bien estudiada:una isla de arseniuro de indio semiconductor rodeada de arseniuro de galio. La nanoestructura de arseniuro de indio / arseniuro de galio actúa como un sistema cuántico con dos niveles de energía:un estado fundamental (nivel de energía más bajo) y un estado excitado (nivel de energía más alto). Cuando un electrón en el estado excitado pierde energía al caer al estado fundamental, emite un solo fotón.

A diferencia de la mayoría de los tipos de emisores de dos niveles que existen en estado sólido, Se ha demostrado que estos puntos cuánticos generan, de manera confiable, Bajo demanda, ya grandes velocidades, los fotones individuales necesarios para aplicaciones cuánticas. Además, los investigadores han podido colocarlos dentro de nanoescala, espacios que confinan la luz que permiten una gran aceleración de la tasa de emisión de un solo fotón, y en principio, También podría permitir que el punto cuántico sea excitado por un solo fotón. Esto permite que los puntos cuánticos ayuden directamente con el procesamiento de información en lugar de simplemente producir flujos de fotones.

La otra parte de la arquitectura del circuito híbrido del equipo consiste en guías de ondas pasivas hechas de nitruro de silicio, conocidos por su capacidad para transmitir fotones a través de la superficie de un chip con una pérdida de fotones muy baja. Esto permite que los fotones generados por puntos cuánticos se fusionen de manera eficiente con otros fotones en un divisor de haz, o interactuar con otros elementos del circuito como moduladores y detectores.

"Estamos obteniendo lo mejor de ambos mundos, con cada uno comportándose muy bien juntos en un solo circuito, "dijo Davanco. De hecho, la arquitectura híbrida mantiene el alto rendimiento logrado en dispositivos fabricados exclusivamente con cada uno de los dos materiales, con poca degradación cuando se juntan. Él y sus colegas describieron el trabajo en un número reciente de Comunicaciones de la naturaleza .

Para hacer los dispositivos híbridos, Davanco y sus colegas primero unieron dos obleas, una que contenía los puntos cuánticos, el otro contiene el material de guía de ondas de nitruro de silicio. Utilizaron una variación de un proceso que se había desarrollado originalmente para fabricar láseres fotónicos híbridos, que combinaba silicio para guías de ondas y semiconductores compuestos para la emisión de luz clásica. Una vez finalizada la unión, Luego, los dos materiales se esculpieron con una resolución de escala nanométrica en sus geometrías finales mediante técnicas de grabado y modelado de dispositivos semiconductores de última generación.

Aunque esta técnica de unión de obleas fue desarrollada hace más de una década por otros investigadores, el equipo es el primero en aplicarlo para hacer dispositivos fotónicos cuánticos integrados.

"Dado que tenemos experiencia tanto en fabricación como en fotónica cuántica, parecía claro que podíamos tomar prestado y adaptar este proceso para crear esta nueva arquitectura, "señala Davanco.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.