Ordinariamente, las partículas de luz (fotones) no interactúan. Si dos fotones chocan en el vacío, simplemente se atraviesan.

Una forma eficiente de hacer que los fotones interactúen podría abrir nuevas perspectivas tanto para la óptica clásica como para la computación cuántica. una tecnología experimental que promete grandes aceleraciones en algunos tipos de cálculos.

En años recientes, Los físicos han permitido interacciones fotón-fotón utilizando átomos de elementos raros enfriados a temperaturas muy bajas.

Pero en el último número de Cartas de revisión física , Los investigadores del MIT describen una nueva técnica para permitir interacciones fotón-fotón a temperatura ambiente, utilizando un cristal de silicio con patrones distintivos grabados en él. En la jerga de la física, el cristal introduce "no linealidades" en la transmisión de una señal óptica.

"Todos estos enfoques que tenían átomos o partículas similares a átomos requieren bajas temperaturas y funcionan en una banda de frecuencia estrecha, "dice Dirk Englund, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en el MIT y autor principal del nuevo artículo. "Ha sido un santo grial idear métodos para realizar no linealidades a nivel de fotón único a temperatura ambiente en condiciones ambientales".

Junto a Englund en el papel están Hyeongrak Choi, un estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática, y Mikkel Heuck, quien era un postdoctorado en el laboratorio de Englund cuando se hizo el trabajo y ahora está en la Universidad Técnica de Dinamarca.

Independencia fotónica

Las computadoras cuánticas aprovechan una extraña propiedad física llamada "superposición, "en el que se puede decir que una partícula cuántica habita dos estados contradictorios al mismo tiempo. El espín, u orientación magnética, de un electrón, por ejemplo, podría estar arriba y abajo al mismo tiempo; la polarización de un fotón puede ser tanto vertical como horizontal.

Si una cadena de bits cuánticos, o qubits, el análogo cuántico de los bits en una computadora clásica, está en superposición, puede, en algún sentido, sondear múltiples soluciones para el mismo problema simultáneamente, razón por la cual las computadoras cuánticas prometen aceleraciones.

La mayoría de los qubits experimentales utilizan iones atrapados en campos magnéticos oscilantes, circuitos superconductores, o, como la propia investigación de Englund, defectos en la estructura cristalina de los diamantes. Con todas estas tecnologías, sin embargo, las superposiciones son difíciles de mantener.

Debido a que los fotones no son muy susceptibles a las interacciones con el medio ambiente, son excelentes para mantener la superposición; pero por la misma razón son difíciles de controlar. Y la computación cuántica depende de la capacidad de enviar señales de control a los qubits.

Ahí es donde entra en juego el nuevo trabajo de los investigadores del MIT. Si un solo fotón entra en su dispositivo, pasará sin obstáculos. Pero si dos fotones, en los estados cuánticos correctos, intentan ingresar al dispositivo, se reflejarán de nuevo.

Por tanto, se puede pensar que el estado cuántico de uno de los fotones controla el estado cuántico del otro. Y la teoría de la información cuántica ha establecido que las simples "puertas" cuánticas de este tipo son todo lo que se necesita para construir una computadora cuántica universal.

Resonancia antipática

El dispositivo de los investigadores consta de un largo estrecho, cristal de silicio rectangular con agujeros regularmente espaciados grabados en él. Los agujeros son más anchos en los extremos del rectángulo, y se estrechan hacia su centro. La conexión de los dos orificios del medio es un canal aún más estrecho, y en su centro, en lados opuestos, son dos puntas concéntricas afiladas. El patrón de agujeros atrapa temporalmente la luz en el dispositivo, y las puntas concéntricas concentran el campo eléctrico de la luz atrapada.

Los investigadores crearon un prototipo del dispositivo y demostraron que confinaba la luz y concentraba el campo eléctrico de la luz en el grado predicho por sus modelos teóricos. Pero convertir el dispositivo en una puerta cuántica requeriría otro componente, un dieléctrico intercalado entre las puntas. (Un dieléctrico es un material que normalmente es eléctricamente aislante pero que se polarizará (todas sus cargas positivas y negativas se alinearán en la misma dirección) cuando se exponga a un campo eléctrico).

Cuando una onda de luz pasa cerca de un dieléctrico, su campo eléctrico desplazará ligeramente los electrones de los átomos del dieléctrico. Cuando los electrones regresan, se bambolean, como el columpio de un niño cuando se empuja demasiado fuerte. Ésta es la no linealidad que explota el sistema de los investigadores.

El tamaño y la separación de los orificios del dispositivo se adaptan a una frecuencia de luz específica:la "frecuencia de resonancia" del dispositivo. Pero el bamboleo no lineal de los electrones del dieléctrico debería cambiar esa frecuencia.

Ordinariamente, ese cambio es lo suficientemente suave como para ser insignificante. Pero debido a que las puntas afiladas del dispositivo de los investigadores concentran los campos eléctricos de los fotones entrantes, también exageran el cambio. Un solo fotón aún podría atravesar el dispositivo. Pero si dos fotones intentaran entrar en él, el cambio sería tan dramático que los rechazarían.

Potencial practico

El dispositivo se puede configurar para que el cambio dramático en la frecuencia de resonancia se produzca solo si los fotones que intentan ingresar tienen propiedades cuánticas particulares:combinaciones específicas de polarización o fase, por ejemplo. El estado cuántico de un fotón podría determinar la forma en que se maneja el otro fotón, el requisito básico para una puerta cuántica.

Englund enfatiza que la nueva investigación no producirá una computadora cuántica que funcione en el futuro inmediato. Demasiado a menudo la luz que entra en el prototipo todavía se dispersa o se absorbe, y los estados cuánticos de los fotones pueden distorsionarse levemente. Pero otras aplicaciones pueden ser más factibles a corto plazo. Por ejemplo, una versión del dispositivo podría proporcionar una fuente confiable de fotones individuales, lo que favorecería en gran medida una serie de investigaciones en ciencia de la información cuántica y comunicaciones.

"Este trabajo es bastante notable y único porque muestra una fuerte interacción luz-materia, localización de la luz, y almacenamiento de fotones relativamente largo a una escala tan pequeña en un semiconductor, "dice Mohammad Soltani, investigador de nanofotónica en el Grupo de procesamiento de información cuántica de Raytheon BBN Technologies. "Puede permitir cosas que antes eran cuestionables, como puertas no lineales de fotón único para información cuántica. Funciona a temperatura ambiente, es de estado sólido, y es compatible con la fabricación de semiconductores. Este trabajo es uno de los más prometedores hasta la fecha para dispositivos prácticos, como los dispositivos de información cuántica ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.