Hoy en día, los láseres están en todas partes:los médicos los usan para corregir la vista, cajeros para escanear sus compras, y científico cuántico para controlar qubits en la futura computadora cuántica. Para la mayoría de las aplicaciones, el actual voluminoso, láseres energéticamente ineficientes están bien, pero los científicos cuánticos trabajan a temperaturas extremadamente bajas y en escalas muy pequeñas. Durante más de 40 años, han estado buscando láseres de microondas eficientes y precisos que no perturben el ambiente muy frío en el que funciona la tecnología cuántica.

Un equipo de investigadores dirigido por Leo Kouwenhoven en TU Delft ha demostrado un láser de microondas en chip basado en una propiedad fundamental de la superconductividad, el efecto ac Josephson. Incorporaron una pequeña sección de un superconductor interrumpido, un cruce de Josephson, en una cavidad en chip cuidadosamente diseñada. Un dispositivo de este tipo abre la puerta a muchas aplicaciones en las que la radiación de microondas con una disipación mínima es clave. por ejemplo, en el control de qubits en una computadora cuántica escalable.

Los científicos han publicado su trabajo en Ciencias el 3 de marzo.

Los láseres tienen la capacidad única de emitir perfectamente sincronizados, luz coherente. Esto significa que el ancho de línea (correspondiente al color) es muy estrecho. Normalmente, los láseres están hechos de una gran cantidad de emisores (átomos, moléculas, o portadores semiconductores) dentro de una cavidad. Estos láseres convencionales suelen ser ineficaces, y disipa mucho calor mientras las aplicas. Esto los hace difíciles de operar en entornos criogénicos, como lo que se requiere para operar una computadora cuántica.

Unión Josephson superconductora

En 1911, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes descubrió que algunos materiales pasan a un estado superconductor a temperaturas muy bajas, permitiendo que la corriente eléctrica fluya sin pérdida de energía. Una de las aplicaciones más importantes de la superconductividad es el efecto Josephson:si una barrera muy corta interrumpe una pieza de superconductor, los portadores eléctricos hacen un túnel a través de este material no superconductor según las leyes de la mecánica cuántica. Es más, lo hacen a una frecuencia muy característica, que se puede variar mediante un voltaje de CC aplicado externamente. La unión Josephson es, por lo tanto, un convertidor de voltaje a luz (frecuencia) perfecto.

Láser de unión Josephson

Los científicos de QuTech acoplaron una única unión Josephson a una microcavidad superconductora de factor de alta calidad, no más grande que una hormiga. La unión de Josephson actúa como un solo átomo, mientras que la cavidad puede verse como dos espejos para luz de microondas. Cuando se aplica un pequeño voltaje de CC a esta unión Josephson, emite fotones de microondas que están en resonancia con la frecuencia de la cavidad. Los fotones rebotan de un lado a otro entre dos espejos superconductores, y obligar a la unión de Josephson a emitir más fotones sincronizados con los fotones de la cavidad. Al enfriar el dispositivo a temperaturas ultrabajas ( <1 Kelvin) y aplicando un pequeño voltaje de CC a la unión Josephson, los investigadores observan un haz coherente de fotones de microondas emitidos a la salida de la cavidad. Debido a que el láser en chip está hecho completamente de superconductores, es muy eficiente energéticamente y más estable que los láseres basados ​​en semiconductores previamente demostrados. Utiliza menos de un picovatio de energía para funcionar, más de 100 mil millones de veces menos que un globo de luz.

Control cuántico de baja pérdida

Las fuentes eficientes de luz de microondas coherente de alta calidad son esenciales en todos los diseños actuales de la futura computadora cuántica. Las ráfagas de microondas se utilizan para leer y transferir información, corregir errores y acceder y controlar los componentes cuánticos individuales. Si bien las fuentes de microondas actuales son costosas e ineficientes, El láser de unión Josephson creado en QuTech es energéticamente eficiente y ofrece una solución en chip que es fácil de controlar y modificar. El grupo está ampliando su diseño para utilizar uniones Josephson sintonizables hechas de nanocables para permitir ráfagas de microondas para un control rápido de múltiples componentes cuánticos. En el futuro, un dispositivo de este tipo puede generar la llamada luz de "amplitud comprimida" con fluctuaciones de intensidad más pequeñas en comparación con los láseres convencionales, esto es esencial en la mayoría de los protocolos de comunicación cuántica. Este trabajo marca un paso importante hacia el control de grandes sistemas cuánticos para la computación cuántica.