Los investigadores del MIT han diseñado una forma de generar, a temperatura ambiente, más fotones individuales para transportar información cuántica. El diseño, ellos dicen, promete el desarrollo de computadoras cuánticas prácticas.

Los emisores cuánticos generan fotones que se pueden detectar de uno en uno. Las computadoras y dispositivos cuánticos de consumo podrían aprovechar ciertas propiedades de esos fotones como bits cuánticos ("qubits") para ejecutar cálculos. Mientras que las computadoras clásicas procesan y almacenan información en bits de 0 o 1, los qubits pueden ser 0 y 1 simultáneamente. Eso significa que las computadoras cuánticas podrían resolver problemas que son intratables para las computadoras clásicas.

Un desafío clave, sin embargo, está produciendo fotones individuales con propiedades cuánticas idénticas, conocidas como fotones "indistinguibles". Para mejorar la indistinguibilidad, Los emisores canalizan la luz a través de una cavidad óptica donde los fotones rebotan hacia adelante y hacia atrás, un proceso que ayuda a adaptar sus propiedades a la cavidad. Generalmente, los fotones más largos permanecen en la cavidad, cuanto más coinciden.

Pero también hay una compensación. En grandes cavidades, los emisores cuánticos generan fotones de forma espontánea, dando como resultado que solo una pequeña fracción de fotones permanezca en la cavidad, haciendo que el proceso sea ineficaz. Las cavidades más pequeñas extraen porcentajes más altos de fotones, pero los fotones son de menor calidad, o "distinguible".

En un artículo publicado hoy en Cartas de revisión física , los investigadores dividieron una cavidad en dos, cada uno con una tarea designada. Una cavidad más pequeña maneja la extracción eficiente de fotones, mientras que una gran cavidad adjunta los almacena un poco más para aumentar la indistinguibilidad.

Comparado con una sola cavidad, la cavidad acoplada de los investigadores generó fotones con alrededor del 95 por ciento de indistinguibilidad, en comparación con el 80 por ciento de indistinguibilidad, con una eficiencia aproximadamente tres veces mayor.

"En breve, dos es mejor que uno, "dice el primer autor Hyeongrak" Chuck "Choi, estudiante de posgrado en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT (RLE). "Lo que encontramos es que en esta arquitectura, podemos separar los roles de las dos cavidades:la primera cavidad simplemente se enfoca en recolectar fotones para una alta eficiencia, mientras que el segundo se centra en la indistinguibilidad en un solo canal. Una cavidad que desempeña ambos roles no puede cumplir con ambas métricas, pero dos cavidades logran ambas simultáneamente ".

Junto a Choi en el papel están:Dirk Englund, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática, un investigador en RLE, y jefe del Laboratorio de Fotónica Cuántica; Di Zhu, estudiante de posgrado en RLE; y Yoseob Yoon, estudiante de posgrado en el Departamento de Química.

Los emisores cuánticos relativamente nuevos, conocidos como "emisores de fotón único, "son creados por defectos en materiales que de otro modo serían puros, como los diamantes, nanotubos de carbono dopados, o puntos cuánticos. La luz producida a partir de estos "átomos artificiales" es capturada por una diminuta cavidad óptica en un cristal fotónico, una nanoestructura que actúa como un espejo. Algunos fotones se escapan, pero otros rebotan alrededor de la cavidad, que obliga a los fotones a tener las mismas propiedades cuánticas, principalmente, varias propiedades de frecuencia. Cuando se miden para igualar, salen de la cavidad a través de una guía de ondas.

Pero los emisores de un solo fotón también experimentan toneladas de ruido ambiental, como vibraciones de celosía o fluctuaciones de carga eléctrica, que producen diferentes longitudes de onda o fases. Los fotones con propiedades diferentes no se pueden "interferir, "de tal manera que sus olas se superponen, resultando en patrones de interferencia. Ese patrón de interferencia es básicamente lo que observa y mide una computadora cuántica para realizar tareas computacionales.

La indistinguibilidad de los fotones es una medida del potencial de los fotones para interferir. De ese modo, es una métrica valiosa para simular su uso para la computación cuántica práctica. "Incluso antes de la interferencia de fotones, con indistinguibilidad, podemos especificar la capacidad de los fotones para interferir, "Choi dice." Si conocemos esa habilidad, podemos calcular lo que sucederá si lo utilizan para tecnologías cuánticas, como las computadoras cuánticas, comunicaciones, o repetidores ".

En el sistema de los investigadores, una pequeña cavidad se asienta unida a un emisor, que en sus estudios era un defecto óptico en un diamante, llamado "centro de vacantes de silicio":un átomo de silicio que reemplaza dos átomos de carbono en una red de diamante. La luz producida por el defecto se recoge en la primera cavidad. Debido a su estructura de enfoque de luz, los fotones se extraen con tasas muy altas. Luego, la nanocavidad canaliza los fotones en un segundo, cavidad más grande. Allí, los fotones rebotan hacia adelante y hacia atrás durante un cierto período de tiempo. Cuando alcanzan una alta indistinguibilidad, los fotones salen a través de un espejo parcial formado por orificios que conectan la cavidad a una guía de ondas.

En tono rimbombante, Choi dice, ninguna de las cavidades tiene que cumplir con los rigurosos requisitos de diseño de eficiencia o indistinguibilidad de las cavidades tradicionales, llamado el "factor de calidad (factor Q)". Cuanto mayor sea el factor Q, menor es la pérdida de energía en las cavidades ópticas. Pero las caries con factores Q altos son tecnológicamente difíciles de hacer.

En el estudio, La cavidad acoplada de los investigadores produjo fotones de mayor calidad que cualquier posible sistema de una sola cavidad. Incluso cuando su factor Q era aproximadamente una centésima parte de la calidad del sistema de una sola cavidad, podrían lograr la misma indistinguibilidad con una eficiencia tres veces mayor.

Las cavidades se pueden ajustar para optimizar la eficiencia frente a la indistinguibilidad, y para considerar cualquier restricción en el factor Q, según la aplicación. Eso es importante, Choi agrega, porque los emisores de hoy que operan a temperatura ambiente pueden variar mucho en calidad y propiedades.

Próximo, los investigadores están probando el límite teórico último de múltiples cavidades. Una cavidad más aún manejaría la extracción inicial de manera eficiente, pero luego se vincularía a múltiples cavidades que fotones de varios tamaños para lograr una indistinguibilidad óptima. Pero lo más probable es que haya un límite Choi dice:"Con dos cavidades, solo hay una conexión, por lo que puede ser eficiente. Pero si hay varias caries, las múltiples conexiones podrían hacerlo ineficaz. Ahora estamos estudiando el límite fundamental de las cavidades para su uso en computación 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.