Los transistores son pequeños interruptores que forman la base de la informática moderna; miles de millones de ellos enrutan señales eléctricas dentro de un teléfono inteligente, por ejemplo.

Las computadoras cuánticas necesitarán hardware análogo para manipular la información cuántica. Pero las limitaciones de diseño de esta nueva tecnología son estrictas, y los procesadores más avanzados de la actualidad no se pueden reutilizar como dispositivos cuánticos. Eso es porque los portadores de información cuántica, apodado qubits, tienen que seguir diferentes reglas establecidas por la física cuántica.

Los científicos pueden usar muchos tipos de partículas cuánticas como qubits, incluso los fotones que componen la luz. Los fotones tienen un atractivo adicional porque pueden transportar información rápidamente a largas distancias, y son compatibles con chips fabricados. Sin embargo, hacer un transistor cuántico disparado por la luz ha sido un desafío porque requiere que los fotones interactúen entre sí, algo que normalmente no sucede por sí solo.

Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería A. James Clark de la Universidad de Maryland y del Joint Quantum Institute (JQI), dirigido por el profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática, Miembro de JQI, y Edo Waks, filial del Instituto de Investigación en Electrónica y Física Aplicada, han superado este obstáculo y han demostrado el primer transistor de fotón único que utiliza un chip semiconductor. El dispositivo, descrito en la edición del 6 de julio de Ciencias , es compacto; Aproximadamente un millón de estos nuevos transistores podrían caber dentro de un solo grano de sal. También es rápido y capaz de procesar 10 mil millones de qubits fotónicos por segundo.

"Con nuestro transistor, deberíamos poder realizar puertas cuánticas entre fotones, "dice Waks." El software que se ejecuta en una computadora cuántica utilizaría una serie de tales operaciones para lograr una aceleración exponencial para ciertos problemas computacionales.

El chip fotónico está hecho de un semiconductor con numerosos agujeros, haciéndolo parecer mucho más un panal. La luz que entra en la viruta rebota y queda atrapada por el patrón de orificios; un pequeño cristal llamado punto cuántico se encuentra dentro del área donde la intensidad de la luz es más fuerte. Análogo a la memoria de computadora convencional, el punto almacena información sobre los fotones a medida que ingresan al dispositivo. El punto puede acceder efectivamente a esa memoria para mediar en las interacciones de los fotones, lo que significa que las acciones de un fotón afectan a otros que luego llegan al chip.

"En un transistor de fotón único, la memoria de puntos cuánticos debe persistir el tiempo suficiente para interactuar con cada qubit fotónico, "dice Shuo Sun, autor principal del nuevo trabajo e investigador postdoctoral en la Universidad de Stanford que era un estudiante de posgrado de la UMD en el momento de la investigación. "Esto permite que un solo fotón cambie un flujo más grande de fotones, lo cual es fundamental para que nuestro dispositivo sea considerado un transistor ".

Para probar que el chip funcionaba como un transistor, los investigadores examinaron cómo respondía el dispositivo a pulsos de luz débiles que normalmente contenían un solo fotón. En un entorno normal, una luz tan tenue apenas se registraría. Sin embargo, en este dispositivo, un solo fotón queda atrapado durante mucho tiempo, registrando su presencia en el punto cercano.

El equipo observó que un solo fotón podría, interactuando con el punto, controlar la transmisión de un segundo pulso de luz a través del dispositivo. El primer pulso de luz actúa como una llave, abriendo la puerta para que el segundo fotón entre en el chip. Si el primer pulso no contiene fotones, el punto bloqueaba el paso de los fotones posteriores. Este comportamiento es similar a un transistor convencional donde un pequeño voltaje controla el paso de corriente a través de sus terminales. Aquí, los investigadores reemplazaron con éxito el voltaje con un solo fotón y demostraron que su transistor cuántico podía cambiar un pulso de luz que contenía alrededor de 30 fotones antes de que se agotara la memoria del punto cuántico.

Waks dice que su equipo tuvo que probar diferentes aspectos del rendimiento del dispositivo antes de que el transistor funcionara. "Hasta ahora, teníamos los componentes individuales necesarios para hacer un solo transistor de fotón, pero aquí combinamos todos los pasos en un solo chip, " él dice.

Sun dice que con mejoras de ingeniería realistas, su enfoque podría permitir que muchos transistores de luz cuántica se vinculen entre sí. El equipo espera que tan rápido, Los dispositivos altamente conectados eventualmente conducirán a computadoras cuánticas compactas que procesan una gran cantidad de qubits fotónicos.