Los científicos de la información cuántica siempre están buscando combinaciones ganadoras de materiales, materiales que puedan manipularse a nivel molecular para almacenar y transmitir información de manera confiable. Tras una reciente demostración de prueba de principio, los investigadores están añadiendo una nueva combinación de compuestos a la lista de materiales cuánticos.
En un estudio publicado en ACS Photonics , los investigadores combinaron dos estructuras de tamaño nanométrico, una hecha de diamante y otra de niobato de litio, en un solo chip. Luego enviaron luz del diamante al niobato de litio y midieron la fracción de luz que logró atravesarlo.
Cuanto mayor sea esa fracción, más eficiente será el acoplamiento de los materiales y más prometedor será el emparejamiento como componente de los dispositivos cuánticos.
El resultado:un extraordinario 92 % de la luz dio el salto del diamante al niobato de litio.
La investigación fue apoyada en parte por Q-NEXT, un Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del DOE. Amir Safavi-Naeini y Jelena Vuckovic, de la Universidad de Stanford, dirigieron el estudio.
"Fue un resultado emocionante obtener una eficiencia del 92 % con este dispositivo", dijo Hope Lee, coautora del artículo y Ph.D. estudiante de la Universidad de Stanford e investigador que trabajó con el director de Q-NEXT, David Awschalom, mientras estudiaba en la Universidad de Chicago. "Mostró las ventajas de la plataforma."
Las tecnologías cuánticas aprovechan características especiales de la materia a escala molecular para procesar información. Se espera que las computadoras, redes y sensores cuánticos tengan un enorme impacto en nuestras vidas en áreas como la medicina, las comunicaciones y la logística.
La información cuántica se entrega en paquetes llamados qubits, que pueden adoptar muchas formas. En la nueva plataforma del equipo de investigación, los qubits transmiten información como partículas de luz.
Los qubits confiables son fundamentales para tecnologías como las redes de comunicación cuánticas. Al igual que en las redes tradicionales, la información en las redes cuánticas viaja de un nodo a otro. Los qubits estacionarios almacenan información dentro de un nodo; Los qubits voladores transportan información entre nodos.
El nuevo chip del equipo de investigación constituiría la base de un qubit estacionario. Cuanto más robusto sea el qubit estacionario, más confiable será la red cuántica y mayor será la distancia que pueden cubrir las redes. Una red cuántica que abarque todo un continente está a nuestro alcance.
Diamond ha sido promocionado durante mucho tiempo como un gran hogar para qubits. Por un lado, la estructura molecular de un diamante se puede manipular fácilmente para albergar qubits estacionarios. Por otro lado, un qubit alojado en un diamante puede mantener información durante un tiempo relativamente largo, lo que significa más tiempo para realizar cálculos. Además, los cálculos realizados utilizando qubits alojados en diamantes exhiben una alta precisión.
El socio de Diamond en el estudio del grupo, el niobato de litio, es otro actor estrella en lo que respecta al procesamiento de información cuántica. Sus propiedades especiales brindan versatilidad a los científicos al permitirles cambiar la frecuencia de la luz que lo atraviesa.
Por ejemplo, los investigadores pueden aplicar un campo eléctrico o una tensión mecánica al niobato de litio para ajustar la forma en que canaliza la luz. También es posible invertir la orientación de su estructura cristalina. Hacer esto a intervalos regulares es otra forma de moldear el paso de la luz a través del material.
"Se pueden utilizar estas propiedades del niobato de litio para convertir y cambiar la luz proveniente del diamante, modulándola de maneras que sean útiles para diferentes experimentos", dijo Jason Herrmann, coautor del artículo y Ph.D. estudiante en Stanford. "Por ejemplo, básicamente se puede convertir la luz en una frecuencia utilizada por la infraestructura de comunicaciones existente. Así que esas propiedades del niobato de litio son realmente beneficiosas".
Tradicionalmente, la luz de los qubits alojados en diamantes se canaliza hacia un cable de fibra óptica o hacia un espacio libre. En ambos casos, la configuración experimental es difícil de manejar. Los cables de fibra óptica son largos, colgantes y flexibles. La transmisión de qubits al espacio libre requiere equipos voluminosos.
Todo ese equipo desaparece cuando la luz de los qubits del diamante se canaliza hacia niobato de litio. Casi todos los componentes se pueden colocar en un pequeño chip.
"Existe una ventaja en tener tantos dispositivos y funcionalidades como sea posible en un solo chip", dijo Lee. "Es más estable. Y realmente te permite miniaturizar tus configuraciones".
No sólo eso, sino que debido a que los dos dispositivos están conectados por un filamento muy fino (1/100 del ancho de un cabello humano), la luz cuántica se introduce en el estrecho pasaje que conduce al niobato de litio, aumentando la interacción de la luz con el material. y facilitar la manipulación de las propiedades de la luz.
"Cuando todas las diferentes partículas de luz interactúan entre sí en un volumen tan pequeño, se obtiene una eficiencia mucho mayor en el proceso de conversión", dijo Herrmann. "Se espera que poder hacer esto en la plataforma integrada genere eficiencias mucho mayores en comparación con la configuración con fibras o espacio libre".
Uno de los desafíos del desarrollo de la plataforma fue manipular el diamante (de apenas 300 nanómetros de ancho) para alinearlo con el niobato de litio.
"Tuvimos que pinchar el diamante con pequeñas agujas para moverlo hasta que pareciera visiblemente que estaba en el lugar correcto en esta placa", dijo Lee. "Es casi como si lo estuvieras tocando con pequeños palillos."
Medir la luz transferida fue otro proceso laborioso.
"Tenemos que asegurarnos realmente de tener en cuenta todos los lugares donde se transmite o se pierde la luz para poder decir:'Esto es lo que pasa del diamante al niobato de litio'", dijo Herrmann. "Esa medición de calibración requirió muchos ida y vuelta para asegurarnos de que la estábamos haciendo correctamente".
El equipo está planeando más experimentos que aprovechen las ventajas de la información cuántica que ofrecen el diamante y el niobato de litio, tanto por separado como juntos. Su último éxito es sólo un hito en lo que esperan sea un menú diverso de dispositivos basados en los dos materiales.
"Al juntar estas dos plataformas de materiales y canalizar la luz de una a la otra, demostramos que, en lugar de trabajar con un solo material, realmente se puede tener lo mejor de ambos mundos", afirmó Lee.
Más información: Daniel Riedel et al, Integración fotónica eficiente de centros de color de diamante y niobato de litio de película delgada, ACS Photonics (2023). DOI:10.1021/acsphotonics.3c00992
Información de la revista: Fotónica ACS
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Argonne
