El mundo moderno está alimentado por circuitos eléctricos en un "chip":el chip semiconductor que sustenta las computadoras, celulares, La Internet, y otras aplicaciones. En el año 2025, Se espera que los humanos creen 175 zettabytes (175 billones de gigabytes) de nuevos datos. ¿Cómo podemos garantizar la seguridad de los datos sensibles a un volumen tan alto? ¿Y cómo podemos abordar problemas parecidos a grandes desafíos? desde la privacidad y la seguridad hasta el cambio climático, aprovechando estos datos, especialmente dada la capacidad limitada de las computadoras actuales?

Una alternativa prometedora son las tecnologías emergentes de computación y comunicación cuántica. Para que esto suceda, sin embargo, requerirá el desarrollo generalizado de nuevos y potentes circuitos ópticos cuánticos; circuitos que son capaces de procesar de forma segura las enormes cantidades de información que generamos todos los días. Investigadores del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Familia Mork de la USC han logrado un gran avance para ayudar a habilitar esta tecnología.

Mientras que un circuito eléctrico tradicional es una vía por la que fluyen los electrones de una carga eléctrica, un circuito óptico cuántico utiliza fuentes de luz que generan partículas de luz individuales, o fotones, Bajo demanda, uno a la vez, actuando como bits portadores de información (bits cuánticos o qubits). Estas fuentes de luz son "puntos cuánticos" de semiconductores de tamaño nanométrico:pequeñas colecciones fabricadas de decenas de miles a un millón de átomos empaquetados dentro de un volumen de tamaño lineal inferior a una milésima parte del grosor del cabello humano típico enterrado en una matriz de otro semiconductor adecuado. .

Hasta ahora se ha demostrado que son los generadores de fotón único bajo demanda más versátiles. El circuito óptico requiere que estas fuentes de fotones individuales estén dispuestas en un chip semiconductor en un patrón regular. Los fotones con longitud de onda casi idéntica de las fuentes deben luego liberarse en una dirección guiada. Esto les permite manipularlos para formar interacciones con otros fotones y partículas para transmitir y procesar información.

Hasta ahora, Ha habido una barrera importante para el desarrollo de tales circuitos. Por ejemplo, en las técnicas de fabricación actuales, los puntos cuánticos tienen diferentes tamaños y formas y se ensamblan en el chip en ubicaciones aleatorias. El hecho de que los puntos tengan diferentes tamaños y formas significa que los fotones que liberan no tienen longitudes de onda uniformes. Esto y la falta de orden posicional los hacen inadecuados para su uso en el desarrollo de circuitos ópticos.

En un trabajo recientemente publicado, Los investigadores de la USC han demostrado que, de hecho, se pueden emitir fotones individuales de manera uniforme a partir de puntos cuánticos dispuestos en un patrón preciso. Cabe señalar que el método de alineación de puntos cuánticos fue desarrollado por primera vez en la USC por el investigador principal, Profesor Anupam Madhukar, y su equipo hace casi treinta años, mucho antes de la actual actividad de investigación explosiva en información cuántica y el interés en las fuentes de fotón único en chip. En este último trabajo, el equipo de la USC ha utilizado tales métodos para crear puntos cuánticos únicos, con sus notables características de emisión de un solo fotón. Se espera que la capacidad de alinear con precisión puntos cuánticos de emisión uniforme permita la producción de circuitos ópticos, potencialmente conduciendo a avances novedosos en tecnologías de comunicaciones y computación cuántica.

La obra, publicado en APL Photonics , fue dirigido por Jiefei Zhang, Actualmente es profesor asistente de investigación en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Familia Mork, con el autor correspondiente Anupam Madhukar, Kenneth T. Norris Profesor de Ingeniería y Profesor de Ingeniería Química, Ingenieria Eléctrica, Ciencia de los Materiales, y Física.

"El avance allana el camino hacia los siguientes pasos necesarios para pasar de la demostración en laboratorio de la física de un solo fotón a la fabricación a escala de chip de circuitos fotónicos cuánticos, ", Dijo Zhang." Esto tiene aplicaciones potenciales en la comunicación cuántica (segura), imagen detección y simulaciones cuánticas y computación ".

Madhukar dijo que es esencial que los puntos cuánticos se ordenen de manera precisa para que los fotones liberados de dos o más puntos puedan manipularse para conectarse entre sí en el chip. Esto formará la base de la unidad de construcción para circuitos ópticos cuánticos.

"Si la fuente de donde provienen los fotones está ubicada al azar, esto no se puede hacer que suceda ", dijo Madhukar.

"La tecnología actual que nos permite comunicarnos en línea, por ejemplo, utilizando una plataforma tecnológica como Zoom, se basa en el chip electrónico integrado de silicio. Si los transistores de ese chip no se colocan en las ubicaciones diseñadas exactamente, no habría circuito eléctrico integrado, ", Dijo Madhukar." Es el mismo requisito para las fuentes de fotones, como los puntos cuánticos, para crear circuitos ópticos cuánticos ".

La investigación cuenta con el apoyo de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR) y la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos (ARO).

"Este avance es un ejemplo importante de cómo resolver los desafíos fundamentales de la ciencia de los materiales, como cómo crear puntos cuánticos con una posición y composición precisas, puede tener grandes implicaciones posteriores para tecnologías como la computación cuántica, "dijo Evan Runnerstrom, director del programa, Oficina de Investigación del Ejército, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU. "Esto muestra cómo las inversiones específicas de ARO en investigación básica apoyan los constantes esfuerzos de modernización del Ejército en áreas como la creación de redes".

Para crear el diseño preciso de puntos cuánticos para los circuitos, el equipo utilizó un método llamado SESRE (epitaxia reductora de tamaño codificada por sustrato) desarrollado en el grupo Madhukar a principios de la década de 1990. En el trabajo actual, el equipo fabricó arreglos regulares de mesas de tamaño nanométrico con una orientación de borde definida, forma (paredes laterales) y profundidad en un sustrato semiconductor plano, compuesto de arseniuro de galio (GaAs). Luego, se crean puntos cuánticos en la parte superior de las mesas agregando los átomos apropiados utilizando la siguiente técnica.

Primero, Los átomos de galio (Ga) entrantes se acumulan en la parte superior de las mesas a nanoescala atraídos por las fuerzas de energía de la superficie, donde depositan GaAs. Luego, el flujo entrante se cambia a átomos de indio (In), para, a su vez, depositar arseniuro de indio (InAs) seguido de átomos de Ga para formar GaAs y, por lo tanto, crear los puntos cuánticos individuales deseados que terminan liberando fotones individuales. Para ser útil para crear circuitos ópticos, el espacio entre las nano-mesas en forma de pirámide debe llenarse con material que aplana la superficie. El chip final donde los GaAs opacos se representan como una capa traslúcida debajo de la cual se ubican los puntos cuánticos.

"Este trabajo también establece un nuevo récord mundial de puntos cuánticos ordenados y escalables en términos de pureza simultánea de la emisión de un solo fotón superior al 99,5%". y en términos de la uniformidad de la longitud de onda de los fotones emitidos, que puede ser tan estrecho como 1,8 nm, que es un factor de 20 a 40 mejor que los puntos cuánticos típicos, "Dijo Zhang.

Zhang dijo que con esta uniformidad, resulta factible aplicar métodos establecidos, como el calentamiento local o los campos eléctricos, para ajustar las longitudes de onda de los fotones de los puntos cuánticos para que coincidan exactamente entre sí, lo cual es necesario para crear las interconexiones requeridas entre diferentes puntos cuánticos para circuitos.

Esto significa que, por primera vez, los investigadores pueden crear chips fotónicos cuánticos escalables utilizando técnicas de procesamiento de semiconductores bien establecidas. Además, Los esfuerzos del equipo ahora se centran en establecer cuán idénticos son los fotones emitidos de los mismos y / o diferentes puntos cuánticos. El grado de indistinguibilidad es fundamental para los efectos cuánticos de interferencia y entrelazamiento, que sustentan el procesamiento cuántico de información -comunicación, sintiendo imagen o informática.

Zhang concluyó:"Ahora tenemos un enfoque y una plataforma de material para proporcionar fuentes escalables y ordenadas que generan fotones únicos potencialmente indistinguibles para aplicaciones de información cuántica. El enfoque es general y se puede utilizar para otras combinaciones de materiales adecuadas para crear puntos cuánticos que emiten sobre un amplia gama de longitudes de onda preferidas para diferentes aplicaciones, por ejemplo, la comunicación óptica basada en fibra o el régimen de infrarrojo medio, Adecuado para monitoreo ambiental y diagnóstico médico, "Dijo Zhang.

Gernot S. Pomrenke, Oficial de programa AFOSR, La optoelectrónica y la fotónica dijeron que las matrices confiables de fuentes de fotón único bajo demanda en el chip fueron un gran paso adelante.

"Este impresionante trabajo de crecimiento y ciencia de los materiales se extiende a lo largo de tres décadas de esfuerzo dedicado antes de que las actividades de investigación en información cuántica estuvieran en la corriente principal, "Pomrenke dijo." La financiación inicial de AFOSR y los recursos de otras agencias del Departamento de Defensa han sido fundamentales para realizar el desafiante trabajo y la visión de Madhukar, sus estudiantes, y colaboradores. Existe una gran probabilidad de que el trabajo revolucione las capacidades de los centros de datos, diagnósticos médicos, defensa y tecnologías afines ".