El laboratorio desarrolla un nuevo método para la generación en chip de un solo fotón

A medida que aumenta el rumor sobre el futuro de la tecnología cuántica, los investigadores de todo el mundo están trabajando horas extras para descubrir la mejor manera de desbloquear la promesa de partículas cuánticas superposicionadas, enredadas, de túnel o listas para el horario de máxima audiencia, cuya capacidad para ocurrir en dos estados a la vez podría ampliar enormemente la potencia y la eficiencia en muchas aplicaciones.

Sin embargo, desde el punto de vista del desarrollo, los dispositivos cuánticos de hoy están «más o menos donde estaba la computadora en la década de 1950», es decir, el comienzo. Eso es según Kamyar Parto, un Ph.D. de sexto año. estudiante en el laboratorio de UC Santa Barbara de Galan Moody, experto en fotónica cuántica y profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática.

Parto es coautor principal de un artículo publicado en la revista Nano letrasque describe un avance clave: el desarrollo de una especie de «fábrica» ​​en el chip para producir un flujo constante y rápido de fotones individuales, esencial para permitir tecnologías cuánticas basadas en fotónica.

En las primeras etapas del desarrollo de computadoras, explica Parto, «los investigadores acababan de hacer el transistor y tenían ideas sobre cómo hacer un interruptor digital, pero la plataforma era un poco débil. Diferentes grupos desarrollaron diferentes plataformas y, finalmente, todos convergieron en CMOS (semiconductor complementario de óxido de metal). Luego, tuvimos la gran explosión en torno a los semiconductores».

«La tecnología cuántica se encuentra en un lugar similar: tenemos la idea y una idea de lo que podríamos hacer con ella, y hay muchas plataformas competidoras, pero aún no hay un ganador claro», continúa. «Tienes qubits superconductores, qubits de espín en silicio, qubits de espín electrostáticos y computadoras cuánticas basadas en trampas de iones. Microsoft está tratando de hacer qubits topológicamente protegidos, y en Moody Lab, estamos trabajando en fotónica cuántica».

Parto predice que la plataforma ganadora será una combinación de diferentes plataformas, dado que cada una es poderosa pero también tiene limitaciones. «Por ejemplo, es muy fácil transferir información usando fotónica cuántica, porque a la luz le gusta moverse», dice.

«Sin embargo, un qubit giratorio hace que sea más fácil almacenar información y hacer algunas ‘cosas’ locales en ella, pero no puedes mover esos datos. Entonces, ¿por qué no intentamos usar la fotónica para transferir los datos desde el plataforma que lo almacene mejor y luego lo transforme de nuevo a otro formato una vez que esté allí?»

Los qubits, esos controladores de tecnologías cuánticas de comportamiento extraño, son, por supuesto, diferentes de los bits clásicos, que pueden existir en un solo estado de cero o uno. Los qubits pueden ser uno y cero simultáneamente. En el ámbito de la fotónica, dijo Parto, se puede hacer que un solo fotón exista (estado uno) y no exista (estado cero).

Esto se debe a que un solo fotón constituye lo que se denomina un sistema de dos niveles, lo que significa que puede existir en un estado cero, un estado o cualquier combinación, como 50 % uno y 50 % cero, o tal vez 80 % uno y 20% cero. Esto se puede hacer de forma rutinaria en el grupo Moody. El desafío es generar y recolectar fotones individuales con una eficiencia muy alta, como enrutándolos en un chip usando guías de ondas. Las guías de ondas hacen exactamente lo que sugiere su nombre, guiando la luz hacia donde debe ir, de la misma manera que los cables guían la electricidad.

Parto explica: «Si colocamos estos fotones individuales en muchas guías de ondas diferentes (mil fotones individuales en cada guía de ondas) y coreografíamos cómo los fotones viajan a lo largo de las guías de ondas en el chip, podemos hacer un cálculo cuántico».

Si bien es relativamente simple usar guías de ondas para enrutar fotones en un chip, aislar un solo fotón no es fácil y configurar un sistema que produzca miles de millones de ellos de manera rápida y eficiente es mucho más difícil. El nuevo artículo describe una técnica que emplea un fenómeno peculiar para generar fotones individuales con una eficiencia mucho mayor que la que se ha logrado anteriormente.

«El trabajo consiste en amplificar la generación de estos fotones individuales para que se vuelvan útiles para aplicaciones reales», dice Parto. «El avance descrito en este documento es que ahora podemos generar fotones individuales de manera confiable a temperatura ambiente de una manera que se presta para (el proceso de producción en masa de) CMOS».

Hay varias formas de generar fotones individuales, pero Parto y sus colegas lo están haciendo mediante el uso de defectos en ciertos materiales semiconductores bidimensionales (2D), que tienen solo un átomo de espesor, esencialmente eliminando un poco del material para crear un defecto.

«Si haces brillar la luz (generada por un láser) sobre el tipo correcto de defecto, el material responderá emitiendo fotones individuales», dice Parto. «El defecto en el material actúa como lo que se llama un estado de límite de velocidad, lo que le permite comportarse como una fábrica para expulsar fotones individuales, uno a la vez». Se puede producir un fotón cada tres a cinco nanosegundos, pero los investigadores aún no están seguros de la tasa, y Parto, quien obtuvo su Ph.D. sobre el tema de la ingeniería de tales defectos, dice que el ritmo actual podría ser mucho más lento.

Una gran ventaja de los materiales 2D es que se prestan a la ingeniería de defectos en ubicaciones específicas. Además, dice Parto, «los materiales son tan delgados que puede levantarlos y colocarlos en cualquier otro material sin estar limitado por la geometría de la red de un material de cristal 3D. Eso hace que el material 2D sea muy fácil de integrar, una capacidad que mostrar en este documento».

Para hacer un dispositivo útil, el defecto en el material 2D debe colocarse en las guías de ondas con extrema precisión. «Hay un punto en el material que produce luz a partir de un defecto», señala Parto, «y necesitamos convertir ese único fotón en una guía de ondas».

Los investigadores intentan hacerlo de varias maneras, por ejemplo, colocando el material en la guía de ondas y luego buscando un solo defecto existente, pero incluso si el defecto está alineado con precisión y en la posición correcta, la eficiencia de extracción será solo del 20% al 30%. Esto se debe a que el único defecto puede emitir solo a una velocidad específica, y parte de la luz se emite en ángulos oblicuos, en lugar de directamente a lo largo del camino hacia la guía de ondas. El límite superior teórico de ese diseño es solo del 40 %, pero fabricar un dispositivo útil para aplicaciones de información cuántica requiere una eficiencia de extracción del 99,99 %.

«La luz de un defecto brilla inherentemente en todas partes, pero preferimos que brille en estas guías de ondas», explica Parto. «Tenemos dos opciones. Si coloca guías de ondas sobre el defecto, tal vez del diez al quince por ciento de la luz iría a las guías de ondas. Eso no es suficiente. Pero hay un fenómeno físico, llamado efecto Purcell, que podemos utilizar para aumentar esta eficiencia y dirigir más luz hacia la guía de ondas. Lo hace colocando el defecto dentro de una cavidad óptica; en nuestro caso, tiene la forma de un resonador de microanillo, que es una de las únicas cavidades que le permite para acoplar la luz dentro y fuera de una guía de ondas».

«Si la cavidad es lo suficientemente pequeña», agregó, «exprimirá las fluctuaciones de vacío del campo electromagnético, y esas fluctuaciones son las que causan la emisión espontánea de fotones del defecto en un modo de luz. Al exprimir esa fluctuación cuántica en una cavidad de volumen finito, la fluctuación sobre el defecto aumenta, lo que hace que emita luz preferentemente en el anillo, donde se acelera y se vuelve más brillante, aumentando así la eficiencia de extracción».

En los experimentos que utilizaron el resonador de microanillo que se realizaron para este documento, el equipo logró una eficiencia de extracción del 46 %, lo que representa un aumento del orden de magnitud con respecto a informes anteriores.

«Estos resultados nos alientan mucho, porque los emisores de un solo fotón en materiales 2D abordan algunos de los desafíos sobresalientes que enfrentan otros materiales en términos de escalabilidad y capacidad de fabricación», dice Moody. «A corto plazo, exploraremos su uso para algunas aplicaciones diferentes en las comunicaciones cuánticas, pero a largo plazo, nuestro objetivo es continuar desarrollando esta plataforma para redes y computación cuánticas».

Para hacer eso, el grupo necesita mejorar su eficiencia a más del 99%, y lograrlo requerirá anillos resonadores de nitruro de mayor calidad. «Para mejorar la eficiencia, debe alisar el anillo cuando lo extraiga de la película de nitruro de silicio», explica Parto. «Sin embargo, si el material en sí no es completamente cristalino, incluso si tratas de suavizarlo a nivel atómico, las superficies aún pueden verse ásperas y esponjosas, lo que hace que la luz se disperse».

Mientras que algunos grupos logran el nitruro de la más alta calidad comprándolo de empresas que lo cultivan a la perfección, Parto explica: «Tenemos que cultivarlo nosotros mismos, porque tenemos que poner el defecto debajo del material y, además, estamos usando un tipo de nitruro de silicio que minimiza la luz de fondo para aplicaciones de un solo fotón, y las empresas no hacen eso».

Parto puede hacer crecer sus nitruros en un horno de deposición de vapor químico mejorado con plasma en la sala limpia de UCSB, pero debido a que es una instalación compartida muy utilizada, no puede personalizar algunas configuraciones que le permitirían cultivar material de calidad suficiente. El plan, dice, es usar estos resultados para solicitar nuevas subvenciones que permitan «obtener nuestras propias herramientas y contratar estudiantes para hacer este trabajo».