Ilustración de una pistola de fotones. Un punto cuántico (el símbolo amarillo) emite un fotón (paquete de ondas rojas) a la vez. El punto cuántico está incrustado en una estructura de cristal fotónico, que se obtiene grabando agujeros (círculos negros) en un material semiconductor. Debido a los agujeros, los fotones no se pueden emitir en todas las direcciones, pero solo a lo largo de la guía de ondas, que se forma omitiendo una serie de agujeros. Crédito:Søren Stobbe, NBI
Las nanoestructuras fotónicas avanzadas están en camino de revolucionar la tecnología cuántica para redes cuánticas basadas en la luz. Investigadores del Instituto Niels Bohr han desarrollado los primeros bloques de construcción necesarios para construir circuitos fotónicos cuánticos complejos para redes cuánticas. Este rápido desarrollo de las redes cuánticas se destaca en un artículo de la revista Naturaleza .
La tecnología cuántica basada en la luz (fotones) se llama fotónica cuántica, mientras que la electrónica se basa en electrones. Los fotones (partículas de luz) y los electrones se comportan de manera diferente a nivel cuántico. Una entidad cuántica es la unidad más pequeña del mundo microscópico. Por ejemplo, los fotones son el componente fundamental de la luz y los electrones de la corriente eléctrica. Los electrones son los llamados fermiones y pueden aislarse fácilmente para conducir la corriente un electrón a la vez. En contraste, los fotones son bosones, que prefieren amontonarse. Pero dado que la información para la comunicación cuántica basada en la fotónica está codificada en un solo fotón, es necesario emitirlos y enviarlos uno a la vez.
Mayor capacidad de información
La información basada en fotones tiene grandes ventajas; los fotones interactúan solo muy débilmente con el medio ambiente, a diferencia de los electrones, por lo que los fotones no pierden mucha energía en el camino y, por lo tanto, pueden enviarse a largas distancias. Por lo tanto, los fotones son muy adecuados para transportar y distribuir información y una red cuántica basada en fotones podrá codificar mucha más información de la que es posible con la tecnología informática actual y la información no podría ser interceptada en el camino.
Numerosos grupos de investigación de todo el mundo están trabajando intensamente en este campo de investigación, que se está desarrollando rápidamente y, de hecho, se están empezando a fabricar los primeros productos comerciales de fotónica cuántica.
Emisión direccional de fotones. La figura muestra los cálculos de la emisión de fotones en la nueva fuente direccional de fotón único. Si el giro del electrón del punto cuántico apunta hacia arriba, el fotón se emitirá en una dirección (azul). Si el giro del electrón del punto cuántico apunta hacia abajo, el fotón se emitirá en la dirección opuesta (rojo). Crédito:Sahand Mahmoodian y Søren Stobbe, NBI
Control de los fotones
Un requisito previo para las redes cuánticas es la capacidad de crear un flujo de fotones individuales bajo demanda y los investigadores del Instituto Niels Bohr lograron exactamente eso.
"Hemos desarrollado un chip fotónico, que actúa como una pistola de fotones. El chip fotónico consiste en un cristal extremadamente pequeño de 10 micrones de ancho y 160 nanómetros de espesor. Incrustado en el medio del chip hay una fuente de luz, que es un llamado punto cuántico. Iluminar el punto cuántico con luz láser excita un electrón, que luego puede saltar de una órbita a otra y, por lo tanto, emitir un solo fotón a la vez. Los fotones suelen emitirse en todas direcciones, pero el chip fotónico está diseñado para que todos los fotones se envíen a través de una guía de ondas fotónica, "explica Peter Lodahl, profesor y director del grupo de investigación de Fotónica Cuántica del Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague.
En un largo laborioso proceso, el grupo de investigación desarrolló y probó aún más el chip fotónico hasta que alcanzó una eficiencia extrema y Peter Lodahl explica que fue particularmente sorprendente que pudieran lograr que la emisión de fotones ocurriera de una manera que antes no se creía posible. Normalmente, los fotones se transmiten en ambas direcciones en la guía de ondas fotónica, pero en su chip fotónico hecho a medida podían romper esta simetría y conseguir que el punto cuántico diferenciase entre emitir un fotón a la derecha o a la izquierda, eso significa emitir fotones direccionales. Esto significa un control total sobre los fotones y los investigadores están comenzando a explorar cómo construir sistemas completos de redes cuánticas basados en el nuevo descubrimiento.
"Los fotones se pueden enviar a largas distancias a través de fibras ópticas, donde zumban a través de las fibras con muy poca pérdida. Potencialmente, podría construir una red donde los fotones conectan pequeños sistemas cuánticos, que luego se unen en una red cuántica:una Internet cuántica, "explica Peter Lodahl.
Agrega que si bien las primeras funcionalidades básicas ya son una realidad, el gran desafío ahora es expandirlos a grandes redes cuánticas complejas.
