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(noticias nanowerk) Los informáticos cuánticos siempre buscan combinaciones exitosas de materiales, materiales que puedan manipularse a nivel molecular para almacenar y transmitir información de forma fiable.
Después de una reciente demostración de prueba de principio, los investigadores están añadiendo una nueva combinación de compuestos a la lista de materiales cuánticos.
Las tesis centrales
Se ha desarrollado una nueva combinación de materiales cuánticos de diamante y niobato de litio, lo que demuestra un avance significativo en la ciencia de la información cuántica.
Al integrar estos dos materiales en un solo chip, se logró una impresionante eficiencia del 92 % en la transmisión de luz, lo que indica un acoplamiento altamente eficiente adecuado para dispositivos cuánticos.
Este avance permite la manipulación de la luz a nivel molecular y tiene aplicaciones potenciales en computación cuántica, redes y tecnologías de detección.
Las propiedades únicas del diamante y el niobato de litio se combinan para proporcionar un mayor control sobre la información cuántica, particularmente en forma de qubits transmitidos como partículas de luz.
Esta innovación allana el camino para diseños de redes cuánticas más compactas y eficientes y se acerca más a la realidad de las redes de comunicación cuánticas generalizadas.
![Un nanohaz de diamante (azul) descansa sobre niobato de litio (verde)](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64264_1.jpg)
Investigación
En un estudio publicado en Fotónica ACS (“Efficient Photonic Integration of Diamond Color Centers and Thin-Film Lithium Niobate”), los investigadores combinaron dos estructuras a nanoescala, 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 proporción de luz que lo atravesó con éxito.
Cuanto mayor sea esta proporción, 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.
«Fue un resultado emocionante lograr una eficiencia del 92% con este dispositivo», dijo Hope Lee, coautora del artículo y estudiante de posgrado. Estudiante e investigador de la Universidad de Stanford que trabajó con el director de Q-NEXT, David Awschalom, mientras estudiaba en la Universidad de Chicago. «Mostró los beneficios de la plataforma».
Un poco sobre qubits
Las tecnologías cuánticas utilizan propiedades especiales de la materia a nivel 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 transmite 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 cruciales para tecnologías como las redes de comunicación cuánticas. Como 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 recorrer las redes. Una red cuántica que abarca un continente está a nuestro alcance.
Una ventaja material
Diamond ha sido promocionado durante mucho tiempo como un gran hogar para qubits. Por un lado, la estructura molecular del diamante se puede manipular fácilmente para acomodar qubits estacionarios. En segundo lugar, un qubit alojado en diamantes puede almacenar información durante un tiempo relativamente largo, lo que significa más tiempo para realizar cálculos. Los cálculos realizados con qubits contenidos en diamantes también tienen un alto nivel de precisión.
El socio de Diamond en el estudio del grupo, el niobato de litio, es otro pionero 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 los atraviesa. Por ejemplo, los investigadores pueden aplicar un campo eléctrico o 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 influir en el paso de la luz a través del material.
«Se pueden utilizar estas propiedades del niobato de litio para convertir y alterar la luz proveniente del diamante y modularla de manera que sea útil para diversos experimentos», dijo Jason Herrmann, coautor del artículo y estudiante de posgrado. estudiante en Stanford. “Por ejemplo, básicamente se puede convertir la luz en una frecuencia que utilice la infraestructura de comunicaciones existente. Así que estas propiedades del niobato de litio son realmente beneficiosas”.
Una pareja poderosa
Tradicionalmente, la luz de los qubits contenidos en diamantes se dirige a un cable de fibra óptica o al espacio libre. En ambos casos, la configuración experimental es difícil de manejar. Los cables de fibra óptica son largos, colgantes y flácidos. Y transferir qubits al espacio libre requiere equipos voluminosos.
Todo el equipo desaparece cuando la luz de los qubits del diamante se canaliza hacia niobato de litio. Casi todos los componentes pueden alojarse en un chip diminuto.
«Es beneficioso tener tantos dispositivos y funciones como sea posible en un solo chip», dijo Lee. “Es más estable. Y realmente te permite miniaturizar tus configuraciones”.
Y no solo eso: debido a que los dos dispositivos están conectados por un hilo fino como una oblea (1/100 del ancho de un cabello humano), la luz cuántica se introduce en el estrecho pasaje que conduce al niobato de litio, lo que aumenta la interacción de la luz con el material y Facilita 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. «Es de esperar que la capacidad de hacer esto en la plataforma integrada conduzca a eficiencias mucho mayores en comparación con la construcción con fibra o espacio libre».
Una reunión exigente
Uno de los desafíos en el desarrollo de la plataforma fue manipular el diamante, que tiene sólo 300 nanómetros de ancho, para adaptarlo al 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 estuvieras hurgando con palitos».
Medir la luz transmitida fue otro proceso laborioso.
«Realmente necesitamos asegurarnos 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. «Esta medición de calibración requirió muchos ida y vuelta para asegurarnos de que la hicimos bien».
El equipo planea realizar más experimentos que aprovechen las ventajas de la información cuántica del diamante y el niobato de litio, tanto individualmente como juntos. Su reciente éxito es sólo un hito en lo que se espera sea una amplia gama de dispositivos basados en los dos materiales.
«Al unir estas dos plataformas materiales y pasar luz de una a otra, demostramos que en lugar de trabajar únicamente con un material, realmente se puede tener lo mejor de ambos mundos», dijo Lee.
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