Investigadores de la Universidad de Rochester y la Universidad de Cornell han dado un paso importante hacia el desarrollo de una red de comunicaciones que intercambia información a largas distancias mediante el uso de fotones. medidas de luz sin masa que son elementos clave de la computación cuántica y los sistemas de comunicaciones cuánticas.

El equipo de investigación ha diseñado un nodo a nanoescala hecho de materiales magnéticos y semiconductores que podrían interactuar con otros nodos. utilizando luz láser para emitir y aceptar fotones.

El desarrollo de una red cuántica de este tipo, diseñada para aprovechar las propiedades físicas de la luz y la materia caracterizadas por la mecánica cuántica, promete más rapidez, formas más eficientes de comunicarse, calcular, y detectar objetos y materiales en comparación con las redes que se utilizan actualmente para la informática y las comunicaciones.

Descrito en la revista Comunicaciones de la naturaleza , el nodo consta de una serie de pilares de apenas 120 nanómetros de altura. Los pilares son parte de una plataforma que contiene capas atómicamente delgadas de semiconductores y materiales magnéticos.

La matriz está diseñada para que cada pilar sirva como marcador de ubicación para un estado cuántico que pueda interactuar con los fotones y los fotones asociados puedan interactuar potencialmente con otras ubicaciones en el dispositivo y con matrices similares en otras ubicaciones. Este potencial para conectar nodos cuánticos a través de una red remota capitaliza el concepto de entrelazamiento, un fenómeno de la mecánica cuántica que, en su nivel muy básico, describe cómo las propiedades de las partículas están conectadas a nivel subatómico.

"Este es el comienzo de tener una especie de registro, Si te gusta, donde diferentes ubicaciones espaciales pueden almacenar información e interactuar con fotones, "dice Nick Vamivakas, profesor de óptica cuántica y física cuántica en Rochester.

Hacia 'miniaturizar una computadora cuántica'

El proyecto se basa en el trabajo que el laboratorio Vamivakas ha realizado en los últimos años utilizando diselenuro de tungsteno (WSe2) en las denominadas heteroestructuras de Van der Waals. Ese trabajo utiliza capas de materiales atómicamente delgados una encima de la otra para crear o capturar fotones individuales.

El nuevo dispositivo utiliza una alineación novedosa de WSe2 que cubre los pilares con un subyacente, capa altamente reactiva de triyoduro de cromo (CrI3). Donde el atómicamente delgado, Las capas de área de 12 micrones se tocan, el CrI3 imparte una carga eléctrica al WSe2, creando un "agujero" a lo largo de cada uno de los pilares.

En física cuántica, un agujero se caracteriza por la ausencia de un electrón. Cada agujero cargado positivamente también tiene una propiedad magnética binaria norte / sur asociada a él, para que cada uno sea también un nanomaimán

Cuando el dispositivo está bañado por luz láser, ocurren más reacciones, convirtiendo los nanoimanes en matrices de espín individuales ópticamente activas que emiten e interactúan con fotones. Mientras que el procesamiento de información clásico se ocupa de bits que tienen valores de cero o uno, los estados de giro pueden codificar cero y uno al mismo tiempo, ampliando las posibilidades de procesamiento de la información.

"Ser capaz de controlar la orientación del giro del orificio utilizando CrI3 ultradelgado y grande de 12 micrones, reemplaza la necesidad de usar campos magnéticos externos de bobinas magnéticas gigantes similares a las que se usan en los sistemas de resonancia magnética, ", dice el autor principal y estudiante de posgrado Arunabh Mukherjee. Esto contribuirá en gran medida a miniaturizar una computadora cuántica basada en giros de un solo orificio".

Aún por venir:¿Enredo a distancia?

Dos grandes desafíos enfrentaron los investigadores al crear el dispositivo.

Uno fue la creación de un entorno inerte en el que trabajar con el CrI3 altamente reactivo. Aquí fue donde entró en juego la colaboración con la Universidad de Cornell. "Tienen mucha experiencia con el triyoduro de cromo y, dado que estuvimos trabajando con eso por primera vez, nos coordinamos con ellos en ese aspecto, "Dice Vamivakas. Por ejemplo, La fabricación del CrI3 se realizó en cajas de guantes llenas de nitrógeno para evitar la degradación del oxígeno y la humedad.

El otro desafío fue determinar la configuración correcta de pilares para garantizar que los orificios y valles de giro asociados con cada pilar pudieran registrarse correctamente para eventualmente vincularse a otros nodos.

Y ahí radica el próximo gran desafío:encontrar una manera de enviar fotones a largas distancias a través de una fibra óptica a otros nodos, conservando sus propiedades de enredo.

"Aún no hemos diseñado el dispositivo para promover ese tipo de comportamiento, "Dice Vamivakas." Eso es más adelante ".