Un equipo internacional de investigadores, afiliado a UNIST ha presentado una tecnología central para dispositivos fotónicos cuánticos utilizados en el procesamiento de información cuántica. Han propuesto la combinación de puntos cuánticos para generar luz y tecnologías fotónicas de silicio para manipular la luz en un solo dispositivo.

Este avance ha sido dirigido por el profesor Je-Hyung Kim de la Facultad de Ciencias Naturales de UNIST en colaboración con el profesor Edo Waks y un grupo de investigadores de la Universidad de Maryland. Estados Unidos.

En este estudio, El equipo de investigación demostró la integración de dispositivos fotónicos de silicio con un emisor de fotón único de estado sólido. Utilizaron un enfoque híbrido que combina guías de ondas fotónicas de silicio con puntos cuánticos InAs / InP que actúan como fuentes eficientes de fotones individuales en longitudes de onda de telecomunicaciones que abarcan la banda O y la banda C.

En computación clásica, un bit es una sola pieza de información que puede existir en dos estados, cero o uno. Las computadoras cuánticas usan bits cuánticos que pueden ocupar una superposición que abarca ambos al mismo tiempo. Existen varios enfoques potencialmente fructíferos para el procesamiento de información cuántica, incluyendo átomo, luz, y dispositivos superconductores. Sin embargo, el futuro de la computación cuántica, como el propio estado cuántico, sigue siendo incierto. El profesor Kim se centra en el procesamiento de información cuántica utilizando luz. Los bits cuánticos se pueden implementar utilizando el estado de luz polarizado, su duración, y la información de la ruta, similar a los giros de electrones.

Una fuente de luz cuántica desarrollada recientemente exhibe las características de la física cuántica, incluyendo la superposición, entrelazamiento cuántico, y teorema de no clonación. Esto ha permitido tecnologías de aplicación innovadoras, como simuladores cuánticos, transferencia de estado cuántico, y criptografía cuántica. Sin embargo, para comercializar las tecnologías utilizadas para la tecnología de procesamiento de información cuántica real, es necesario realizar experimentos de óptica cuántica directamente en el dispositivo fotónico. Según el equipo de investigación, tal innovación podría ser el precursor de los circuitos cuánticos, que se espera que jueguen un papel importante en el futuro de las computadoras cuánticas y la comunicación.

"Para construir dispositivos ópticos cuánticos integrados basados ​​en fotones, es necesario producir tantas fuentes de luz cuántica como sea posible en un solo chip, ", dice el profesor Kim." A través de este estudio, hemos propuesto la forma básica de los dispositivos ópticos cuánticos mediante la producción de una fuente de luz cuántica altamente eficaz con puntos cuánticos y la creación de la vía para manipular la luz con el uso de sustratos de silicio ".

Los puntos cuánticos son partículas ultrafinas o nanocristales de un material semiconductor con diámetros en el rango de dos a 10 nanómetros (un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro). En general, los puntos cuánticos toman la forma de compuestos. Sin embargo, a medida que el tamaño disminuye, comienzan a exhibir una estructura energética discontinua, lo que resulta en tener propiedades similares a la luz emitida por los átomos. Aunque los puntos cuánticos se han utilizado con éxito como fuentes de fotón único altamente eficientes, tenían dificultad para controlar la luz.

En el estudio, El equipo de investigación demostró la integración de dispositivos fotónicos de silicio con un emisor de fotón único de estado sólido. Aquí, utilizaron un enfoque híbrido que combina guías de ondas fotónicas de silicio con puntos cuánticos InAs / InP que actúan como fuentes eficientes de fotones individuales en longitudes de onda de telecomunicaciones que abarcan la banda O y la banda C. Luego, eliminaron los puntos cuánticos mediante un procedimiento de selección y colocación con una punta de microsonda combinada con un haz de iones enfocado y un microscopio electrónico de barrido. Esta técnica permitió transferir nanohaces cónicos de InP que contienen puntos cuánticos de InAs a una guía de ondas de silicio con precisión a escala nanométrica.

"Esta integración abre la posibilidad de aprovechar las capacidades fotónicas altamente avanzadas desarrolladas en silicio para controlar y enrutar la luz no clásica de fuentes de fotón único bajo demanda". ", señala el equipo de investigación". Además, los dispositivos fabricados operan en longitudes de onda de telecomunicaciones y pueden ser accionados eléctricamente, que son útiles para la comunicación cuántica basada en fibra ".

El dispositivo óptico cuántico, desarrollado por el equipo de investigación ha transferido con éxito la emisión de los puntos cuánticos a lo largo de los circuitos fotónicos de silicio con alta eficiencia. Usando esto, también incorporaron con éxito un divisor de haz fotónico de silicio en chip para realizar una medición de Hanbury-Brown y Twiss.

"Nuestro enfoque podría permitir la integración de dispositivos fotónicos cuánticos III-V caracterizados previamente en estructuras fotónicas a gran escala para permitir dispositivos complejos compuestos por muchos emisores y fotones, "dice el profesor Kim.