La ciencia y tecnología de la información cuántica ha surgido como un nuevo paradigma para una computación mucho más rápida y una comunicación segura en el siglo XXI. En el corazón de cualquier sistema cuántico se encuentra el bloque de construcción más básico, el bit cuántico o qbit, que lleva la información cuántica que se puede transferir y procesar (este es el análogo cuántico del bit utilizado en los sistemas de información actuales). El qbit de operador más prometedor para, en última instancia, rápido, La transferencia de información cuántica a larga distancia es el fotón, la unidad cuántica de luz.
El desafío al que se enfrentan los científicos es producir fuentes artificiales de fotones para diversas tareas de información cuántica. Uno de los mayores desafíos es el desarrollo de sistemas eficientes, fuentes de fotones escalables que se pueden montar en un chip y operar a temperatura ambiente. La mayoría de las fuentes que se utilizan en los laboratorios hoy en día tienen que estar muy frías (a la temperatura del helio líquido, alrededor de -270C), lo que requiere refrigeradores grandes y costosos. Muchas fuentes también emiten fotones en direcciones indefinidas, haciendo que la recolección eficiente sea un problema difícil.
Ahora, un equipo de científicos de la Universidad Hebrea de Jerusalén ha demostrado una fuente de fotón único eficiente y compacta que puede operar en un chip a temperatura ambiente. Usando diminutos nanocristales hechos de materiales semiconductores, Los científicos desarrollaron un método en el que un solo nanocristal puede colocarse con precisión sobre una nanoantena especialmente diseñada y fabricada cuidadosamente.
De la misma manera, las grandes antenas en los tejados dirigen la emisión de ondas de radio clásicas para transmisiones celulares y satelitales, la nanoantena dirigió de manera eficiente los fotones individuales emitidos por los nanocristales en una dirección bien definida en el espacio. Este dispositivo combinado de nanocristales y nanoantenas fue capaz de producir una corriente altamente direccional de fotones individuales que volaban en la misma dirección con un ángulo de divergencia récord bajo. Estos fotones luego se recolectaron con una configuración óptica muy simple, y enviado para ser detectado y analizado usando detectores de fotón único.
El equipo demostró que este dispositivo híbrido mejora la eficiencia de recolección de fotones individuales en más de un factor de 10 en comparación con un solo nanocristal sin antena. sin la necesidad de sistemas de colección óptica complejos y voluminosos utilizados en muchos otros experimentos. Los resultados experimentales muestran que casi el 40% de los fotones se recolectan fácilmente con un aparato óptico muy simple, y más del 20% de los fotones se emiten en una apertura numérica muy baja, una mejora de 20 veces con respecto a un punto cuántico independiente, y con una probabilidad de más del 70% para la emisión de un solo fotón. La pureza de un solo fotón está limitada solo por la emisión del metal, un obstáculo que se puede sortear con un diseño y una fabricación cuidadosos.
Las antenas se fabricaron utilizando capas metálicas y dieléctricas simples utilizando métodos que son compatibles con las tecnologías de fabricación industrial actuales. y muchos de estos dispositivos se pueden fabricar densamente en un pequeño chip. El equipo ahora está trabajando en una nueva generación de dispositivos mejorados que permitirán la producción determinista de fotones individuales directamente desde el chip en fibras ópticas. sin componentes ópticos adicionales, con una eficiencia cercana a la unidad.
"Esta investigación allana un camino prometedor para una alta pureza, alta eficiencia, fuente de fotón único en chip que funciona a temperatura ambiente, un concepto que puede extenderse a muchos tipos de emisores cuánticos. Una fuente de fotón único altamente direccional podría conducir a un progreso significativo en la producción de compactos, barato, y fuentes eficientes de bits de información cuántica para futuras aplicaciones tecnológicas cuánticas ", dijo el profesor Ronen Rapaport, del Instituto de Física Racah, El Departamento de Física Aplicada, y el Centro de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad Hebrea de Jerusalén.
El estudio se publica en la Nano letras .
