Un equipo internacional de investigadores dirigido por la Universidad de Michigan ha descubierto un nuevo camino para enviar y recibir información con fotones de luz únicos.

Su experimento demostró la posibilidad de utilizar un efecto conocido como no linealidad para modificar y detectar señales de luz extremadamente débiles. aprovechando los distintos cambios en un sistema cuántico para avanzar en la computación de próxima generación.

Hoy dia, a medida que la tecnología de la información basada en la electrónica de silicio se ve cada vez más estrangulada por la calefacción y el consumo de energía, La óptica no lineal está bajo intensa investigación como posible solución. El cartón de huevos cuántico captura y libera fotones, apoyando estados cuánticos 'excitados' mientras posee la energía extra. A medida que aumenta la energía en el sistema, se necesita un salto más grande de energía para llegar al siguiente estado de excitación, esa es la no linealidad.

"Los investigadores se han preguntado si los efectos no lineales detectables pueden mantenerse a niveles de potencia extremadamente bajos, hasta los fotones individuales. Esto nos llevaría al límite inferior fundamental de consumo de energía en el procesamiento de información, "dijo Hui Deng, profesor de física y autor principal del artículo en Naturaleza .

"Demostramos un nuevo tipo de estado híbrido para llevarnos a ese régimen, uniendo la luz y la materia a través de una serie de puntos cuánticos, " ella añadió.

Los físicos e ingenieros utilizaron un nuevo tipo de semiconductor para crear puntos cuánticos dispuestos como un cartón de huevos. Los puntos cuánticos son estructuras esencialmente diminutas que pueden aislar y confinar partículas cuánticas individuales, como electrones y otros, cosas extrañas. Estos puntos son los bolsillos del cartón de huevos. En este caso, confinan excitones, cuasi-partículas formadas por un electrón y un 'agujero'. Aparece un agujero cuando un electrón de un semiconductor pasa a una banda de mayor energía, dejando una carga positiva en su lugar habitual. Si el agujero ensombrece al electrón en su banda de energía paralela, los dos se consideran como una sola entidad, un excitón.

En los dispositivos convencionales, con poca o ninguna no linealidad, los excitones deambulan libremente y apenas se encuentran entre sí. Estos materiales pueden contener muchos excitones idénticos al mismo tiempo sin que los investigadores noten ningún cambio en las propiedades del material.

Sin embargo, si el excitón se limita a un punto cuántico, se vuelve imposible poner un segundo excitón idéntico en el mismo bolsillo. Necesitará un excitón con una energía más alta si desea obtener otro allí, lo que significa que necesitará un fotón de mayor energía para hacerlo. Esto se conoce como bloqueo cuántico, y es la causa de la no linealidad.

Pero los puntos cuánticos típicos tienen solo unos pocos átomos de ancho, no están en una escala utilizable. Como solución El equipo de Deng creó una serie de puntos cuánticos que contribuyen a la no linealidad de una sola vez.

El equipo produjo este paisaje energético de cartón de huevos con dos escamas de semiconductor, que se consideran materiales bidimensionales porque están hechos de una sola capa molecular, solo unos pocos átomos de espesor. Los semiconductores 2-D tienen propiedades cuánticas que son muy diferentes de las de los trozos más grandes. Una escama era disulfuro de tungsteno y la otra diselenuro de molibdeno. Colocados con un ángulo de unos 56,5 grados entre sus redes atómicas, las dos estructuras electrónicas entrelazadas crearon una red electrónica más grande, con bolsillos de unos 10 átomos de ancho.

Para que la matriz de puntos cuánticos dentro del semiconductor 2-D se controle como un grupo con luz, el equipo construyó un resonador haciendo un espejo en la parte inferior, colocando el semiconductor encima de él, y luego depositar un segundo espejo encima del semiconductor.

"Es necesario controlar el grosor con mucha fuerza para que el semiconductor esté en el máximo del campo óptico, "dijo Zhang Long, becario de investigación postdoctoral en el laboratorio de Deng y primer autor del artículo.

Con el cartón de huevos cuántico incrustado en la "cavidad" reflejada que permitió que la luz láser roja resonara, el equipo observó la formación de otro estado cuántico, llamado polariton. Los polaritones son un híbrido de los excitones y la luz en la cavidad. Esto confirmó que todos los puntos cuánticos interactúan con la luz en concierto. En este sistema, El equipo de Deng demostró que poner algunos excitones en la caja conducía a un cambio mensurable de la energía del polaritón, demostrando no linealidad y mostrando que se estaba produciendo un bloqueo cuántico.

"Los ingenieros pueden usar esa no linealidad para discernir la energía depositada en el sistema, potencialmente hasta el de un solo fotón, lo que hace que el sistema sea prometedor como un interruptor de energía ultrabaja, "Dijo Deng.

Los conmutadores se encuentran entre los dispositivos necesarios para lograr una computación de potencia ultrabaja, y se pueden construir en puertas más complejas.

"La investigación del profesor Deng describe cómo las no linealidades de polariton pueden adaptarse para consumir menos energía, "dijo Michael Gerhold, gerente de programa en la 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. "El control de polaritones está dirigido a la fotónica integrada futura utilizada para procesamiento de información y computación de energía ultrabaja que podría usarse para procesamiento neuromórfico para sistemas de visión, procesamiento del lenguaje natural o robots autónomos ".

El bloqueo cuántico también significa que un sistema similar podría usarse para qubits, los bloques de construcción para el procesamiento de información cuántica. Un camino hacia adelante es averiguar cómo abordar cada punto cuántico en la matriz como un qubit individual. Otra forma sería lograr el bloqueo de polariton, similar al bloqueo de excitones visto aquí. En esta versión, la variedad de excitones, resonando en el tiempo con la onda de luz, sería el qubit.

Usado de estas formas, los nuevos semiconductores 2-D tienen potencial para llevar los dispositivos cuánticos a temperatura ambiente, en lugar del frío extremo del nitrógeno líquido o el helio líquido.

"Estamos llegando al final de la Ley de Moore, "dijo Steve Forrest, el profesor universitario distinguido Peter A. Franken de ingeniería eléctrica y coautor del artículo, refiriéndose a la tendencia de la densidad de transistores en un chip que se duplica cada dos años. "Los materiales bidimensionales tienen muchas propiedades ópticas y electrónicas interesantes que pueden, De hecho, llévanos a esa tierra más allá del silicio ".