La menor cantidad de luz que puede tener es un fotón, tan tenue que es prácticamente invisible para los humanos. Aunque imperceptible, estos pequeños destellos de energía son útiles para transportar información cuántica. Idealmente, cada mensajero cuántico sería el mismo, pero no hay una forma sencilla de producir un flujo de fotones idénticos. Esto es particularmente desafiante cuando los fotones individuales provienen de chips fabricados.

Ahora, Los investigadores del Joint Quantum Institute (JQI) han demostrado un nuevo enfoque que permite que diferentes dispositivos emitan repetidamente fotones individuales casi idénticos. El equipo, dirigido por el becario de JQI Mohammad Hafezi, hizo un chip de silicio que guía la luz alrededor del borde del dispositivo, donde está inherentemente protegido contra interrupciones. Previamente, Hafezi y sus colegas demostraron que este diseño puede reducir la probabilidad de degradación de la señal óptica. En un artículo publicado en línea el 10 de septiembre en Naturaleza , el equipo explica que la misma física que protege la luz a lo largo del borde del chip también asegura una producción confiable de fotones.

Fotones individuales, que son un ejemplo de luz cuántica, son más que una luz tenue. Esta distinción tiene mucho que ver con el origen de la luz. "Casi toda la luz que encontramos en nuestra vida diaria está llena de fotones, "dice Elizabeth Goldschmidt, investigador del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. y coautor del estudio. "Pero a diferencia de una bombilla, hay algunas fuentes que realmente emiten luz, un fotón a la vez, y esto solo puede ser descrito por la física cuántica, "añade Goldschmidt.

Muchos investigadores están trabajando en la construcción de emisores de luz cuántica fiables para que puedan aislar y controlar las propiedades cuánticas de fotones individuales. Goldschmidt explica que estas fuentes de luz probablemente serán importantes para los futuros dispositivos de información cuántica, así como para comprender mejor los misterios de la física cuántica. "Las comunicaciones modernas se basan en gran medida en la luz no cuántica, "dice Goldschmidt." De manera similar, muchos de nosotros creemos que se necesitarán fotones individuales para cualquier tipo de aplicación de comunicación cuántica ".

Los científicos pueden generar luz cuántica mediante un proceso de cambio de color natural que ocurre cuando un rayo de luz atraviesa ciertos materiales. En este experimento, el equipo utilizó silicio, una opción industrial común para guiar la luz, para convertir la luz láser infrarroja en pares de fotones individuales de diferentes colores.

Inyectaron luz en un chip que contenía una serie de minúsculos bucles de silicio. Bajo el microscopio los bucles parecen circuitos de carreras vidriosos enlazados. La luz circula alrededor de cada bucle miles de veces antes de pasar a un bucle vecino. Extendido, el camino de la luz tendría varios centímetros de largo, pero los bucles permiten encajar el viaje en un espacio unas 500 veces más pequeño. El viaje relativamente largo es necesario para sacar muchos pares de fotones individuales del chip de silicio.

Estas matrices de bucles se utilizan habitualmente como fuentes de fotones individuales, pero pequeñas diferencias entre chips harán que los colores de los fotones varíen de un dispositivo a otro. Incluso dentro de un solo dispositivo, los defectos aleatorios del material pueden reducir la calidad media de los fotones. Este es un problema para las aplicaciones de información cuántica donde los investigadores necesitan que los fotones sean lo más idénticos posible.

El equipo evitó este problema al organizar los bucles de una manera que siempre permita que la luz viaje sin ser molestada alrededor del borde del chip. incluso si existen defectos de fabricación. Este diseño no solo protege la luz de las interrupciones, sino que también restringe cómo se forman los fotones individuales dentro de esos canales de borde. El diseño del bucle esencialmente obliga a que cada par de fotones sea casi idéntico al siguiente, independientemente de las diferencias microscópicas entre los anillos. La parte central del chip no contiene rutas protegidas, por lo que los fotones creados en esas áreas se ven afectados por defectos materiales.

Los investigadores compararon sus chips con otros sin rutas protegidas. Recolectaron pares de fotones de los diferentes chips, contando el número emitido y anotando su color. Observaron que su fuente de luz cuántica producía de manera confiable alta calidad, fotones de un solo color una y otra vez, mientras que la salida del chip convencional era más impredecible.

"Al principio pensamos que tendríamos que ser más cuidadosos con el diseño, y que los fotones serían más sensibles al proceso de fabricación de nuestro chip, "dice Sunil Mittal, investigador postdoctoral de JQI y autor principal del nuevo estudio. "Pero, asombrosamente, Los fotones generados en estos canales de borde blindados son siempre casi idénticos, independientemente de lo malas que sean las fichas ".

Mittal agrega que este dispositivo tiene una ventaja adicional sobre otras fuentes de fotones únicos. "Nuestro chip funciona a temperatura ambiente. No tengo que enfriarlo a temperaturas criogénicas como otras fuentes de luz cuántica, lo que lo convierte en una configuración comparativamente muy simple ".

El equipo dice que este hallazgo podría abrir una nueva vía de investigación, que une la luz cuántica con dispositivos fotónicos que tienen funciones de protección incorporadas. "Los físicos se han dado cuenta recientemente de que las vías protegidas alteran fundamentalmente la forma en que los fotones interactúan con la materia, "dice Mittal." Esto podría tener implicaciones para una variedad de campos donde las interacciones luz-materia juegan un papel, incluida la ciencia de la información cuántica y la tecnología optoelectrónica ".