Científicos del Instituto de Investigación Científica e Industrial (SANKEN) de la Universidad de Osaka, en colaboración con el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC), desarrollaron un punto cuántico de arseniuro de galio (GaAs) que puede atrapar electrones individuales. Al controlar la orientación cristalográfica del sustrato, el equipo de investigación espera optimizar la conversión de fotones en electrones polarizados por espín. Este trabajo puede ayudar a que las redes cuánticas sean más prácticas, especialmente para cifrar datos seguros.

Cada computadora o tableta que ha tenido se basa en cálculos que utilizan la carga de los electrones. Si bien los dispositivos electrónicos actuales han logrado asombrosas proezas de velocidad de procesamiento mientras se vuelven cada vez más pequeños, existe la posibilidad de que los fabricantes pronto lleguen a límites fundamentales de lo que se puede hacer usando métodos convencionales. Una alternativa prometedora es utilizar también el momento magnético intrínseco de los electrones, llamado "espín". Debido a que estos giros se pueden poner en una superposición de arriba y abajo simultáneamente, abre el camino para las computadoras cuánticas que pueden resolver ciertos problemas mucho más rápido que el hardware actual. El espín también se puede utilizar como medio para la comunicación cuántica mediante la transferencia de información cuántica con luz. Pero este proceso de transferir información al espín de electrones extremadamente pequeños es un desafío y debe realizarse de manera eficiente.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Osaka ha realizado el primer circuito de punto cuántico controlado por puerta de GaAs del mundo en una superficie orientada (110) que promete aumentar la eficiencia de conversión de espín fotón-electrón (ver Fig.1). Esto tiene el efecto de codificar la información cuántica de los fotones incidentes en los espines de los electrones. "Creemos que nuestra investigación es la primera demostración de un circuito de punto cuántico definido por puerta que también tiene capacidades de detección de carga, usando esta orientación particular de un sustrato de GaAs", dice el primer autor, Tomohiro Nakagawa.

La conversión de espín fotón-electrón se realiza excitando un electrón y un hueco mediante la absorción de un fotón. Si bien hay dos tipos de orificios, pesados ​​y livianos, convencionalmente solo se han utilizado orificios livianos en los circuitos de puntos cuánticos de GaAs en superficies orientadas (001). Debido a la forma en que el agujero interactúa con la red cristalina de GaAs, el factor g, que ayuda a determinar el momento magnético resultante del espín, puede ser diferente en diferentes orientaciones criptográficas. Esta característica permite la conversión eficiente de información cuántica mediante el uso de un estado de hueco pesado, lo que solía ser imposible para los sustratos convencionales. En el futuro, esto puede ser parte de un protocolo para enviar claves secretas cuánticas indescifrables para proteger datos confidenciales. "Una aplicación de nuestro trabajo puede ser una comunicación criptográfica cuántica absolutamente segura a largas distancias", dice el autor correspondiente Akira Oiwa.

Este trabajo se ha logrado como parte de una fuerte colaboración internacional con NRC. "Reunir experiencia, conocimientos e instalaciones complementarios puede acelerar en gran medida el ritmo de trabajo hacia los objetivos comunes de ambos grupos, en este caso, el desarrollo de redes cuánticas. La colaboración internacional será vital para el avance de las tecnologías de redes cuánticas en las próximas décadas", dice David G. Austing, director de investigación de la NRC. + Explora más

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