Científicos de la Universidad Heriot-Watt en Edimburgo, Escocia, han encontrado una nueva y poderosa forma de programar circuitos ópticos que son críticos para la entrega de tecnologías futuras, como redes de comunicaciones imposibles de piratear y computadoras cuánticas ultrarrápidas.
"La luz puede transportar mucha información, y los circuitos ópticos que computan con luz, en lugar de electricidad, se consideran el próximo gran salto en la tecnología informática", explica el profesor Mehul Malik, físico experimental y profesor de Física en la Escuela Heriot-Watt. de Ingeniería y Ciencias Físicas.
"Pero a medida que los circuitos ópticos se vuelven más grandes y complejos, son más difíciles de controlar y fabricar, y esto puede afectar su rendimiento. Nuestra investigación muestra una forma alternativa, y más versátil, de diseñar circuitos ópticos, utilizando un proceso que ocurre naturalmente en naturaleza."
El profesor Malik y su equipo llevaron a cabo su investigación utilizando fibras ópticas comerciales que se utilizan ampliamente en todo el mundo para transportar Internet a nuestros hogares y empresas. Estas fibras son más delgadas que el ancho de un cabello humano y usan la luz para transportar datos.
Aprovechando el comportamiento de dispersión natural de la luz dentro de una fibra óptica, descubrieron que podían programar circuitos ópticos dentro de la fibra de manera muy precisa.
La investigación se publica hoy en la revista Nature Physics. .
"Cuando la luz entra en una fibra óptica, se dispersa y se mezcla de formas complejas", explica el profesor Malik. "Al aprender este complejo proceso y dar forma con precisión a la luz que ingresa a la fibra óptica, hemos encontrado una manera de diseñar cuidadosamente un circuito para la luz dentro de este trastorno".
Los circuitos ópticos son fundamentales para el desarrollo de futuras tecnologías cuánticas, que se diseñan a nivel microscópico trabajando con átomos o fotones individuales (partículas de luz). Estas tecnologías incluyen poderosas computadoras cuánticas con un inmenso poder de procesamiento y redes de comunicaciones cuánticas que no pueden ser pirateadas.
"Se necesitan circuitos ópticos al final de las redes de comunicaciones cuánticas, por ejemplo, para que la información pueda medirse después de haber recorrido largas distancias", explica el profesor Malik. "También son una parte clave de una computadora cuántica, donde se utilizan para realizar cálculos complejos con partículas de luz."
Se espera que las computadoras cuánticas desbloqueen grandes avances en áreas como el desarrollo de fármacos, la predicción del clima y la exploración espacial. El aprendizaje automático (inteligencia artificial) es otra área en la que se utilizan circuitos ópticos para procesar grandes volúmenes de datos muy rápidamente.
El profesor Malik dijo que el poder de la luz estaba en sus múltiples dimensiones.
"Podemos codificar mucha información en una sola partícula de luz", explicó. "En su estructura espacial, en su estructura temporal, en su color. Y si puedes calcular con todas esas propiedades a la vez, eso desbloquea una enorme cantidad de poder de procesamiento".
Los investigadores también mostraron cómo sus circuitos ópticos programables pueden usarse para manipular el entrelazamiento cuántico, un fenómeno en el que dos o más partículas cuánticas (como los fotones de luz) permanecen conectadas incluso cuando están separadas por grandes distancias. El entrelazamiento juega un papel importante en muchas tecnologías cuánticas, como corregir errores dentro de una computadora cuántica y permitir los tipos más seguros de cifrado cuántico.
El profesor Malik y su equipo de investigación en el Laboratorio de Información Cuántica Más Allá de lo Binario de la Universidad Heriot-Watt llevaron a cabo la investigación con académicos asociados de instituciones como la Universidad de Lund en Suecia, la Universidad Sapienza de Roma en Italia y la Universidad de Twente en los Países Bajos.
Más información: Diseño inverso de circuitos ópticos cuánticos de alta dimensión en un medio complejo, Física de la Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02319-6. www.nature.com/articles/s41567-023-02319-6
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por la Universidad Heriot-Watt
