Investigadores de la Universidad de Basilea y Ruhr-Universität Bochum han descubierto puntos cuánticos (diminutas nanoestructuras semiconductoras) que emiten luz cercana a la parte roja del espectro con un ruido de fondo ultrabajo. Los puntos cuánticos podrían algún día constituir la base de las computadoras cuánticas; las partículas de luz, también llamados fotones, luego servirían como portadores de información. Los puntos cuánticos con propiedades ópticas adecuadas solo se habían obtenido anteriormente para fotones con longitudes de onda en el rango del infrarrojo cercano. Ahora, los investigadores han logrado crear estados de bajo ruido en longitudes de onda entre 700 y 800 nanómetros, es decir, cerca del rango rojo visible. Esto sería, por ejemplo, permiten el acoplamiento a otros sistemas fotónicos. Describen sus hallazgos en la revista. Comunicaciones de la naturaleza a partir del 21 de septiembre de 2020.

Se requieren diferentes longitudes de onda

Los sistemas de comunicación cuántica requieren fotones de diferentes longitudes de onda. Para la comunicación a largas distancias, el principal requisito es evitar pérdidas de señal; longitudes de onda alrededor de 1, Se pueden utilizar 550 nanómetros para este propósito. Para distancias cortas, por otra parte, Se necesitan fotones que puedan detectarse de la manera más eficaz posible y conectarse a otros sistemas de memoria cuántica. Esto sería posible con luz roja, o más precisamente con longitudes de onda entre 700 y 800 nanómetros. Los detectores de fotones disponibles actualmente tienen su sensibilidad más alta en este rango. Es más, Las partículas ligeras de esta frecuencia podrían acoplarse con un sistema de almacenamiento de rubidio.

Para que la información en un sistema cuántico se codifique con precisión, manipulado y leído, La emisión óptica estable es crucial. Esto es exactamente lo que los investigadores han logrado ahora para los fotones cercanos al rango rojo visible.

Un menor contenido de aluminio es la clave del éxito

El proyecto fue una empresa de colaboración entre un equipo de jóvenes físicos dirigido por el profesor Richard Warburton del Grupo de Nano-Fotónica con sede en Basilea y el profesor Andreas Wieck. Dr. Arne Ludwig, Dr. Julian Ritzmann y colegas de la Cátedra de Física Aplicada del Estado Sólido en Bochum. Los investigadores convirtieron los puntos cuánticos en un semiconductor hecho de arseniuro de galio. Dado que el sistema debe enfriarse con helio líquido, opera a bajas temperaturas de menos 269 grados centígrados.

Uno de los principales desafíos fue diseñar un diodo con puntos cuánticos de arseniuro de galio que emita fotones de manera confiable a estas bajas temperaturas. El equipo de Bochum produjo capas de aluminio-galio-arseniuro con una concentración de aluminio más baja de lo habitual, que mejoró la conductividad y la estabilidad de las capas. El equipo de Nano-Photonics luego utilizó este material para los experimentos en Basilea.

Sistema acoplado en curso

En el siguiente paso, los investigadores planean combinar los puntos cuánticos recientemente desarrollados con un dispositivo de memoria cuántica de rubidio. Tales estructuras híbridas serían un primer paso hacia aplicaciones prácticas en la futura red de comunicaciones cuánticas.