En todo el mundo, los especialistas están trabajando en la implementación de tecnologías de información cuántica. Un camino importante involucra la luz:mirando hacia el futuro, los paquetes de luz individuales, también conocidos como fotones o cuantos de luz, podrían transmitir datos que están codificados y a prueba de escuchas. Con este fin, se requieren nuevas fuentes de fotones que emitan cuantos de luz únicos de manera controlada y bajo demanda. Recientemente se ha descubierto que el silicio puede albergar fuentes de fotones individuales con propiedades adecuadas para la comunicación cuántica. Sin embargo, hasta ahora nadie ha sabido cómo integrar las fuentes en los circuitos fotónicos modernos.

Por primera vez, un equipo dirigido por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha presentado ahora una tecnología de producción adecuada utilizando nanopilares de silicio:un método de grabado químico seguido de bombardeo de iones. Su investigación se publica en el Journal of Applied Physics .

"Las fuentes de silicio y de fotones individuales en el campo de las telecomunicaciones han sido durante mucho tiempo el eslabón perdido para acelerar el desarrollo de la comunicación cuántica por fibras ópticas. Ahora hemos creado las condiciones previas necesarias para ello", explica el Dr. Yonder Berencén del Instituto de Iones de HZDR. Beam Physics and Materials Research, quien dirigió el estudio actual. Aunque las fuentes de un solo fotón se han fabricado en materiales como los diamantes, solo las fuentes basadas en silicio generan partículas de luz en la longitud de onda adecuada para proliferar en las fibras ópticas, una ventaja considerable para fines prácticos.

Los investigadores lograron este avance técnico eligiendo una técnica de grabado en húmedo, lo que se conoce como MacEtch (grabado químico asistido por metal), en lugar de las técnicas convencionales de grabado en seco para procesar el silicio en un chip. Estos métodos estándar, que permiten la creación de estructuras fotónicas de silicio, utilizan iones altamente reactivos. Estos iones inducen defectos de emisión de luz causados ​​por el daño por radiación en el silicio. Sin embargo, se distribuyen aleatoriamente y superponen la señal óptica deseada con ruido. El grabado químico asistido por metal, por otro lado, no genera estos defectos; en cambio, el material se graba químicamente bajo una especie de máscara metálica.

El objetivo:fuentes de fotones individuales compatibles con la red de fibra óptica

Usando el método MacEtch, los investigadores fabricaron inicialmente la forma más simple de una posible estructura de guía de ondas de luz:nanopilares de silicio en un chip. Luego bombardearon los nanopilares terminados con iones de carbono, tal como lo harían con un bloque de silicio masivo, y así generaron fuentes de fotones incrustadas en los pilares. Emplear la nueva técnica de grabado significa que el tamaño, el espaciado y la densidad de la superficie de los nanopilares se pueden controlar y ajustar con precisión para que sean compatibles con los circuitos fotónicos modernos. Por chip de milímetro cuadrado, miles de nanopilares de silicio conducen y agrupan la luz de las fuentes dirigiéndola verticalmente a través de los pilares.

Los investigadores variaron el diámetro de los pilares porque "esperábamos que esto significara que pudiéramos realizar la creación de un solo defecto en pilares delgados y en realidad generar una sola fuente de fotones por pilar", explica Berencen. "No funcionó a la perfección la primera vez. En comparación, incluso para los pilares más delgados, la dosis de nuestro bombardeo de carbono fue demasiado alta. Pero ahora es solo un pequeño paso hacia las fuentes de fotones individuales".

Este es un paso en el que el equipo ya está trabajando intensamente porque la nueva técnica también ha desatado una especie de carrera para futuras aplicaciones.

"Mi sueño es integrar todos los componentes básicos, desde una sola fuente de fotones a través de elementos fotónicos hasta un solo detector de fotones, en un solo chip y luego conectar muchos chips a través de fibras ópticas comerciales para formar una red cuántica modular", dice. Berencen. + Explora más

Fotones individuales de un chip de silicio