Las bombillas domésticas emiten un torrente caótico de energía, mientras billones de minúsculas partículas de luz, llamadas fotones, se reflejan y se dispersan en todas direcciones. Fuentes de luz cuántica, por otra parte, son como pistolas de luz que disparan fotones individuales uno por uno, cada vez que se activan, permitiéndoles llevar información digital a prueba de piratería, tecnología atractiva para industrias como las finanzas y la defensa.

Ahora, Los investigadores del Instituto de Tecnología Stevens y la Universidad de Columbia han desarrollado un método escalable para crear grandes cantidades de estas fuentes de luz cuántica en un chip con una precisión sin precedentes que no solo podría allanar el camino para el desarrollo de sistemas criptográficos irrompibles, sino también computadoras cuánticas que pueden funcionar. cálculos complejos en segundos que a las computadoras normales les llevaría años completarlos.

"La búsqueda de fuentes de luz cuántica escalables se ha llevado a cabo durante 20 años, y más recientemente se ha convertido en una prioridad nacional, "dice Stefan Strauf, quien dirigió el trabajo y también es director del Laboratorio Nanofotónico de Stevens. "Esta es la primera vez que alguien ha logrado un nivel de control espacial combinado con alta eficiencia en un chip que es escalable, todos los cuales son necesarios para realizar tecnologías cuánticas ".

La obra, se informará en la edición avanzada en línea del 29 de octubre de Nanotecnología de la naturaleza , describe un nuevo método para crear fuentes de luz cuántica bajo demanda en cualquier ubicación deseada en un chip, estirando una película delgada como un átomo de material semiconductor sobre nanocubos hechos de oro. Como tensa envoltura, la película se extiende sobre las esquinas de los nanocubos, imprimiendo ubicaciones definidas donde se forman los emisores de un solo fotón.

Investigaciones anteriores han probado métodos para producir emisores cuánticos en ubicaciones definidas, pero estos diseños no eran escalables ni eficaces para activar fotones individuales con la frecuencia suficiente para ser útiles en la práctica. Strauf y su equipo cambiaron todo eso al convertirse en los primeros en combinar el control espacial y la escalabilidad con la capacidad de emitir fotones de manera eficiente a pedido.

Para lograr estas capacidades, El equipo de Strauf diseñó un enfoque único en el que el nanocubo de oro tiene un doble propósito:imprime el emisor cuántico en el chip y actúa como una antena a su alrededor. Al crear los emisores cuánticos entre el nanocubo de oro y el espejo, Strauf dejó un espacio estrecho de cinco nanómetros:20, 000 veces más pequeño que el ancho de una hoja de papel.

"Este pequeño espacio entre el espejo y el nanocubo crea una antena óptica que canaliza todos los fotones en ese espacio de cinco nanómetros, concentrando así toda la energía ", dice Strauf." Esencialmente, proporciona el impulso necesario para que los fotones individuales se emitan rápidamente desde la ubicación definida y en la dirección deseada ".

Para mejorar aún más la eficiencia de las fuentes de luz cuántica, Strauf se asoció con Katayun Barmak y James Hone, de la Universidad de Columbia, quien desarrolló una técnica para cultivar cristales semiconductores que están casi libres de defectos. Usando estos cristales únicos, El estudiante graduado de Stevens, Yue Luo, construyó filas de emisores cuánticos en un chip estirando el material delgado como un átomo sobre los nanocubos. Las nanoantenas se forman uniendo el espejo, en la parte inferior del nanocubo.

El resultado:un disparo récord de 42 millones de fotones individuales por segundo; en otras palabras, cada segundo disparador creaba un fotón a pedido, en comparación con solo uno de cada 100 desencadenantes anteriormente.

Aunque diminuto, los emisores son notablemente resistentes. "Son asombrosamente estables, "Dice Strauf." Podemos enfriarlos y calentarlos y desmontar el resonador y volver a montarlo, y todavía funcionan ". La mayoría de los emisores cuánticos deben mantenerse refrigerados a -273 ° C, pero la nueva tecnología funciona hasta -70 ° C." Todavía no estamos a temperatura ambiente, "dice Strauf, "pero los experimentos actuales muestran que es factible llegar allí".