Las partículas de luz idénticas (fotones) son importantes para muchas tecnologías que se basan en la física cuántica. Un equipo de investigadores de Basilea y Bochum ahora ha producido fotones idénticos con diferentes puntos cuánticos, un paso importante hacia aplicaciones como las comunicaciones a prueba de escuchas y la Internet cuántica.

Muchas tecnologías que utilizan efectos cuánticos se basan en fotones exactamente iguales. Sin embargo, producir tales fotones es extremadamente difícil. No solo deben tener exactamente la misma longitud de onda (color), sino que su forma y polarización también deben coincidir.

Un equipo de investigadores dirigido por Richard Warburton en la Universidad de Basilea, en colaboración con colegas de la Universidad de Bochum, ha logrado crear fotones idénticos que se originan en fuentes diferentes y muy separadas.

Fotones individuales de puntos cuánticos

En sus experimentos, los físicos utilizaron los llamados puntos cuánticos, estructuras en semiconductores de sólo unos pocos nanómetros de tamaño. En los puntos cuánticos, los electrones quedan atrapados de tal manera que solo pueden adquirir niveles de energía muy específicos. La luz se emite al hacer una transición de un nivel a otro. Con la ayuda de un pulso láser que desencadena dicha transición, se pueden crear fotones individuales con solo presionar un botón.

"En los últimos años, otros investigadores ya han creado fotones idénticos con diferentes puntos cuánticos", explica Lian Zhai, investigador postdoctoral y primer autor del estudio que se publicó recientemente en Nature Nanotechnology. . "Sin embargo, para hacerlo, de una gran cantidad de fotones, tuvieron que elegir aquellos que eran más similares usando filtros ópticos". De esa manera, solo quedaron muy pocos fotones utilizables.

Warburton y sus colaboradores eligieron un enfoque diferente y más ambicioso. Primero, los especialistas en Bochum produjeron arseniuro de galio extremadamente puro a partir del cual se fabricaron los puntos cuánticos. Las variaciones naturales entre diferentes puntos cuánticos podrían así mantenerse al mínimo. Luego, los físicos de Basilea utilizaron electrodos para exponer dos puntos cuánticos a campos eléctricos sintonizados con precisión. Esos campos modificaban los niveles de energía de los puntos cuánticos y se ajustaban de tal manera que los fotones emitidos por los puntos cuánticos tenían exactamente la misma longitud de onda.

93 % idénticos

Para demostrar que los fotones eran realmente indistinguibles, los investigadores los enviaron a un espejo medio plateado. They observed that, almost every time, the light particles either passed through the mirror as a pair or else were reflected as a pair. From that observation they could conclude that the photons were 93% identical. In other words, the photons formed twins even though they were "born" completely independently of one another.

Moreover, the researchers were able to realize an important building block of quantum computers, a so-called controlled NOT gate (or CNOT gate). Such gates can be used to implement quantum algorithms that can solve certain problems much faster than classical computers.

"Right now our yield of identical photons is still around one percent," Ph.D. student Gian Nguyen concedes. Together with his colleague Clemens Spindler he was involved in running the experiment. "We already have a rather good idea, however, how to increase that yield in the future." That would make the twin-photon method ready for potential applications in different quantum technologies. + Explora más

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