Para procesar información, los fotones deben interactuar. Sin embargo, estos pequeños paquetes de luz no quieren tener nada que ver entre sí, cada uno pasando sin alterar al otro. Ahora, Los investigadores del Instituto de Tecnología de Stevens han convencido a los fotones para que interactúen entre sí con una eficiencia sin precedentes, un avance clave hacia la realización de las tan esperadas tecnologías de óptica cuántica para la computación. comunicación y teledetección.

El equipo, dirigido por Yuping Huang, profesor asociado de física y director del Centro de Ciencia e Ingeniería Cuántica, Nos acerca a ese objetivo con un chip a nanoescala que facilita las interacciones de fotones con una eficiencia mucho mayor que cualquier sistema anterior. El nuevo método informó como un memorando en la edición del 18 de septiembre de Optica , funciona a niveles de energía muy bajos, lo que sugiere que podría optimizarse para funcionar a nivel de fotones individuales, el santo grial de la computación cuántica a temperatura ambiente y la comunicación cuántica segura.

"Estamos superando los límites de la física y la ingeniería óptica para acercar el procesamiento de señales cuánticas y totalmente ópticas a la realidad". "dijo Huang.

Para lograr este avance, El equipo de Huang disparó un rayo láser a una microcavidad con forma de pista de carreras tallada en una astilla de cristal. Mientras la luz láser rebota en la pista de carreras, sus fotones confinados interactúan entre sí, produciendo una resonancia armónica que hace que parte de la luz circulante cambie de longitud de onda.

Ese no es un truco completamente nuevo, pero Huang y colegas, incluido el estudiante de posgrado Jiayang Chen y el científico investigador principal Yong Meng Sua, aumentó drásticamente su eficiencia mediante el uso de un chip hecho de niobato de litio en el aislante, un material que tiene una forma única de interactuar con la luz. A diferencia del silicio, El niobato de litio es difícil de grabar químicamente con gases reactivos comunes. Entonces, El equipo de Stevens utilizó una herramienta de fresado de iones, esencialmente un nanosandblaster, para grabar una pequeña pista de carreras de aproximadamente una centésima parte del ancho de un cabello humano.

Antes de definir la estructura de la pista, el equipo necesitaba aplicar pulsos eléctricos de alto voltaje para crear áreas cuidadosamente calibradas de polaridad alterna, o sondeos periódicos, que adaptan la forma en que los fotones se mueven por la pista, aumentando su probabilidad de interactuar entre sí.

Chen explicó que para grabar la pista de carreras en el chip y adaptar la forma en que los fotones se mueven a su alrededor, requiere docenas de delicados pasos de nanofabricación, cada uno requiere precisión nanométrica. "A lo mejor de nuestro conocimiento, estamos entre los primeros grupos en dominar todos estos pasos de nanofabricación para construir este sistema; esa es la razón por la que podríamos obtener este resultado primero ".

Avanzando Huang y su equipo tienen como objetivo aumentar la capacidad de la pista de carreras de cristal para confinar y recircular la luz, conocido como su factor Q. El equipo ya ha identificado formas de aumentar su factor Q en un factor de al menos 10, pero cada nivel hace que el sistema sea más sensible a las fluctuaciones de temperatura imperceptibles (algunos miles de grados) y requiere un ajuste fino cuidadoso.

Todavía, el equipo de Stevens dice que se están acercando a un sistema capaz de generar interacciones a nivel de fotón único de manera confiable, un avance que permitiría la creación de muchos componentes poderosos de computación cuántica, como puertas lógicas fotónicas y fuentes de entrelazamiento, que a lo largo de un circuito, puede sondear múltiples soluciones para el mismo problema simultáneamente, posiblemente permitiendo cálculos que podrían tardar años en resolverse en segundos.

Todavía podríamos estar un tiempo desde ese punto, Chen dijo:pero para los científicos cuánticos, el viaje será emocionante. "Es el santo grial, "dijo Chen, el autor principal del artículo. "Y de camino al santo grial, nos estamos dando cuenta de mucha física que nadie ha hecho antes ".