Un equipo internacional dirigido por el Instituto de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago ha descubierto cómo manipular una extraña interfaz cuántica entre la luz y la materia en el carburo de silicio a lo largo de las longitudes de onda utilizadas en las telecomunicaciones.

El trabajo avanza la posibilidad de aplicar los principios de la mecánica cuántica a las redes de fibra óptica existentes para comunicaciones seguras y computación cuántica distribuida geográficamente. El profesor David Awschalom y sus 13 coautores anunciaron su descubrimiento en la edición del 23 de junio de Revisión física X .

"El carburo de silicio se utiliza actualmente para construir una amplia variedad de dispositivos electrónicos clásicos en la actualidad, "dijo Awschalom, el Profesor de la Familia Liew en Ingeniería Molecular en UChicago y un científico senior en el Laboratorio Nacional Argonne. "Todos los protocolos de procesamiento están en su lugar para fabricar pequeños dispositivos cuánticos a partir de este material. Estos resultados ofrecen un camino para llevar la física cuántica al mundo tecnológico".

Los hallazgos se basan en parte en modelos teóricos de los materiales realizados por los coautores de Awschalom en la Academia de Ciencias de Hungría en Budapest. Otro grupo de investigación de la Universidad de Linköping de Suecia cultivó gran parte del material de carburo de silicio que el equipo de Awschalom probó en experimentos en UChicago. Y otro equipo de los Institutos Nacionales de Ciencia y Tecnología Cuántica y Radiológica de Japón ayudó a los investigadores de UChicago a crear defectos cuánticos en los materiales al irradiarlos con haces de electrones.

La mecánica cuántica gobierna el comportamiento de la materia en los niveles atómico y subatómico de formas exóticas y contradictorias en comparación con el mundo cotidiano de la física clásica. El nuevo descubrimiento depende de una interfaz cuántica dentro de los defectos a escala atómica en el carburo de silicio que genera la frágil propiedad del entrelazamiento. uno de los fenómenos más extraños predichos por la mecánica cuántica.

El entrelazamiento significa que dos partículas pueden estar tan inextricablemente conectadas que el estado de una partícula puede influir instantáneamente en el estado de la otra. no importa lo lejos que estén.

"Esta naturaleza no intuitiva de la mecánica cuántica podría explotarse para garantizar que las comunicaciones entre dos partes no sean interceptadas o alteradas, "Dijo Awschalom.

Explotando la mecánica cuántica

Los hallazgos mejoran la oportunidad inesperada de crear y controlar estados cuánticos en materiales que ya tienen aplicaciones tecnológicas. Señaló Awschalom. Perseguir el potencial científico y tecnológico de tales avances se convertirá en el foco del recientemente anunciado Chicago Quantum Exchange, que dirigirá Awschalom.

Un aspecto especialmente intrigante del nuevo artículo fue que los defectos de los semiconductores de carburo de silicio tienen una afinidad natural por mover información entre la luz y el espín (una propiedad magnética de los electrones). "Una incógnita clave siempre ha sido si podríamos encontrar una manera de convertir sus estados cuánticos en luz, "dijo David Christle, becario postdoctoral en la Universidad de Chicago y autor principal del trabajo. "Sabíamos que debería existir una interfaz de materia ligera, pero podríamos haber tenido mala suerte y haberlo encontrado intrínsecamente inadecuado para generar enredos. Fuimos muy fortuitos porque las transiciones ópticas y el proceso que convierte el giro en luz es de muy alta calidad ".

El defecto es un átomo faltante que hace que los átomos cercanos en el material reorganicen sus electrones. El átomo que falta o el defecto en sí, crea un estado electrónico que los investigadores controlan con un láser infrarrojo sintonizable.

"Lo que básicamente significa cualidad es:¿cuántos fotones puedes obtener antes de haber destruido el estado cuántico del espín?" dijo Abram Falk, investigador del IBM Thomas J. Watson Resarch Center en Yorktown Heights, NUEVA YORK., que está familiarizado con el trabajo pero no es coautor del artículo.

Los investigadores de UChicago encontraron que potencialmente podrían generar hasta 10, 000 fotones, o paquetes de luz, antes de que destruyeran el estado de giro. "Eso sería un récord mundial en términos de lo que podría hacer con uno de estos tipos de estados defectuosos, "Añadió Falk.

El equipo de Awschalom pudo convertir en luz el estado cuántico de la información de los giros de un solo electrón en obleas comerciales de carburo de silicio y leerlo con una eficiencia de aproximadamente el 95 por ciento.

Coherencia de milisegundos

La duración del estado de giro, llamado coherencia, que logró el equipo de Awschalom fue de un milisegundo. No mucho para los estándares del reloj, pero mucho en el ámbito de los estados cuánticos, en el que se pueden realizar múltiples cálculos en un nanosegundo, o una mil millonésima de segundo.

La hazaña abre nuevas posibilidades en el carburo de silicio porque sus defectos a nanoescala son una plataforma líder para nuevas tecnologías que buscan utilizar propiedades de la mecánica cuántica para el procesamiento de información cuántica. detección de campos magnéticos y eléctricos y temperatura con resolución a nanoescala, y comunicaciones seguras mediante la luz.

"Existe una industria de electrónica de potencia de miles de millones de dólares construida sobre carburo de silicio, "Falk dijo." Después de este trabajo, existe la oportunidad de construir una plataforma para la comunicación cuántica que aproveche estos dispositivos clásicos muy avanzados en la industria de los semiconductores, " él dijo.

La mayoría de los investigadores que estudian defectos para aplicaciones cuánticas se han centrado en un defecto atómico en el diamante, que se ha convertido en un popular banco de pruebas de luz visible para estas tecnologías.

"El diamante ha sido esta enorme industria del trabajo de control cuántico, ", Señaló Falk. Docenas de grupos de investigación en todo el país han pasado más de una década perfeccionando el material para lograr los estándares que el grupo de Awschalom ha dominado en carburo de silicio después de solo unos pocos años de investigación.

Versatilidad de carburo de silicio

"Hay muchas formas diferentes de carburo de silicio, y algunos de ellos se utilizan comúnmente hoy en día en electrónica y optoelectrónica, ", Dijo Awschalom." Los estados cuánticos están presentes en todas las formas de carburo de silicio que hemos explorado. Esto es un buen augurio para la introducción de efectos de la mecánica cuántica en tecnologías tanto electrónicas como ópticas ".

Los investigadores ahora comienzan a preguntarse si este tipo de física también puede funcionar en otros materiales, Señaló Falk.

"Es más, ¿Podemos diseñar racionalmente un defecto que tenga las propiedades que queremos? no sólo tropezar con uno? ", preguntó.

Los defectos son la clave.

"Durante décadas, la industria de la electrónica ha ideado una gran cantidad de trucos para eliminar todos los defectos de sus dispositivos porque los defectos a menudo causan problemas en la electrónica convencional, "Awschalom explicó." Irónicamente, estamos volviendo a colocar los defectos en los sistemas cuánticos ".