Las carreteras ópticas para la luz están en el corazón de las comunicaciones modernas. Pero cuando se trata de guiar destellos de luz individuales llamados fotones, el tránsito confiable es mucho menos común. Ahora, una colaboración de investigadores del Joint Quantum Institute (JQI), dirigido por los becarios de JQI Mohammad Hafezi y Edo Waks, ha creado un chip fotónico que genera fotones individuales, y los conduce alrededor. El dispositivo, descrito en la edición del 9 de febrero de Ciencias , presenta una forma para que la luz cuántica se mueva sin problemas, no se ve afectado por ciertos obstáculos.

"Este diseño incorpora ideas bien conocidas que protegen el flujo de corriente en ciertos dispositivos eléctricos, "dice Hafezi." Aquí, creamos un entorno análogo para los fotones, uno que protege la integridad de la luz cuántica, incluso en presencia de ciertos defectos ".

El chip comienza con un cristal fotónico, que es un establecido, tecnología versátil utilizada para crear carreteras para la luz. Se hacen perforando agujeros a través de una hoja de semiconductor. Para fotones, el patrón de agujeros repetido se parece mucho a un cristal real hecho de una rejilla de átomos. Los investigadores utilizan diferentes patrones de orificios para cambiar la forma en que la luz se dobla y rebota a través del cristal. Por ejemplo, Pueden modificar el tamaño de los orificios y las separaciones para hacer carriles de recorrido restringidos que permitan el paso de ciertos colores claros. mientras prohíbe a otros.

Algunas veces, incluso en estos dispositivos cuidadosamente fabricados, hay fallas que alteran la ruta prevista de la luz, provocando que se desvíe en una dirección inesperada. Pero en lugar de deshacerse de sus chips de todos los defectos, el equipo de JQI mitiga este problema al repensar las formas de los orificios y el patrón del cristal. En el nuevo chip, hacen miles de agujeros triangulares en una matriz que se asemeja al panal de abejas. A lo largo del centro del dispositivo, cambian el espaciado de los orificios, que abre un tipo diferente de carril de circulación para la luz. Previamente, Estos investigadores predijeron que los fotones que se mueven a lo largo de esa línea de agujeros desplazados deberían ser impermeables a ciertos defectos debido a la estructura cristalina general. o topología. Ya sea que el carril sea un camino en zigzag o un tramo recto, Debe garantizarse la trayectoria de la luz desde el origen hasta el destino. independientemente de los detalles de la carretera.

La luz proviene de pequeñas motas de semiconductores, denominados emisores cuánticos, incrustados en el cristal fotónico. Los investigadores pueden usar láseres para impulsar este material a liberar fotones individuales. Cada emisor puede ganar energía absorbiendo fotones láser y perder energía escupiendo luego esos fotones, Uno a la vez. Los fotones que provienen de los dos estados más energéticos de un solo emisor son de diferentes colores y giran en direcciones opuestas. Para este experimento, el equipo utiliza fotones de un emisor que se encuentra cerca del centro del chip.

El equipo probó las capacidades del chip cambiando primero un emisor cuántico de su estado de energía más bajo a uno de sus dos estados de energía más altos. Al relajarse de nuevo, el emisor saca un fotón al carril de circulación cercano. Continuaron este proceso muchas veces, utilizando fotones de los dos estados de mayor energía. Vieron que los fotones emitidos desde los dos estados preferían viajar en direcciones opuestas, que era evidencia de la topología cristalina subyacente.

Para confirmar que el diseño podría ofrecer carriles de tráfico protegidos para fotones individuales, el equipo creó un giro de 60 grados en el patrón de agujeros. En cristales fotónicos típicos, sin funciones de protección integradas, tal torcedura probablemente haría que parte de la luz se reflejara hacia atrás o se dispersara en otra parte. En este nuevo chip, La topología protegió a los fotones y les permitió continuar su camino sin obstáculos.

"En Internet, la información se mueve en paquetes de luz que contienen muchos fotones, y perder algunos no te hace mucho daño ", dice el coautor Sabyasachi Barik, estudiante de posgrado en JQI. "En el procesamiento de información cuántica, necesitamos proteger cada fotón individual y asegurarnos de que no se pierda en el camino. Nuestro trabajo puede aliviar algunas formas de pérdida, incluso cuando el dispositivo no es completamente perfecto ".

El diseño es flexible, y podría permitir a los investigadores ensamblar sistemáticamente rutas para fotones individuales, dice Waks. "Este enfoque modular puede conducir a nuevos tipos de dispositivos ópticos y permitir interacciones personalizadas entre emisores de luz cuántica u otros tipos de materia".