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(Noticias de Nanowerk) Un invento ultradelgado podría hacer que las futuras tecnologías de computación, sensores y encriptación sean notablemente más pequeñas y poderosas al ayudar a los científicos a controlar un fenómeno extraño pero útil en la mecánica cuántica, según un nuevo estudio publicado recientemente en el Journal. Ciencias («Metasuperficies resonantes para generar estados cuánticos complejos»).
Los científicos de los Laboratorios Nacionales Sandia y el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz han informado sobre un dispositivo que podría reemplazar una habitación llena de dispositivos para conectar fotones en un extraño efecto cuántico llamado entrelazamiento. Este dispositivo, un tipo de material de nanoingeniería llamado metasuperficie, allana el camino para el enredo de fotones en formas complejas que no eran posibles con tecnologías compactas.
Cuando los científicos dicen que los fotones están entrelazados, quieren decir que están tan interconectados que las acciones de uno afectan al otro, sin importar dónde o qué tan separados estén los fotones en el universo. Es un efecto de la mecánica cuántica, las leyes de la física que gobiernan las partículas y otras cosas muy pequeñas.
Aunque el fenómeno puede parecer extraño, los científicos lo han utilizado para procesar información de nuevas formas. Por ejemplo, el entrelazamiento ayuda a proteger la información cuántica confidencial y corregir fallas en la computación cuántica, un área que algún día podría tener implicaciones de gran alcance para la seguridad nacional, la ciencia y las finanzas. El entrelazamiento también permite nuevos métodos de encriptación avanzados para una comunicación segura.
La investigación para el innovador dispositivo, que es cien veces más delgado que una hoja de papel, se llevó a cabo en parte en el Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía operada por Sandia y Los Alamos National Laboratories. El equipo de Sandia recibió fondos de la Oficina de Ciencias, programa de Ciencias Energéticas Básicas.
Entra luz, salen fotones entrelazados
La nueva metasuperficie actúa como puerta de entrada a este inusual fenómeno cuántico. En cierto modo, es como el espejo de A través del espejo de Lewis Carrol, a través del cual la joven protagonista Alicia experimenta un mundo nuevo y extraño.
En lugar de pasar por su nuevo dispositivo, los científicos lo atraviesan con un láser. El haz de luz penetra una muestra de vidrio ultradelgada cubierta con estructuras a nanoescala hechas de un material semiconductor común llamado arseniuro de galio.
«Estropea todos los campos ópticos», dijo el científico principal de Sandia, Igal Brener, experto en óptica no lineal que dirigió el equipo de Sandia. Ocasionalmente, dijo, dos fotones entrelazados con diferentes longitudes de onda salen de la muestra en la misma dirección que el rayo láser incidente.
Brener dijo que está entusiasmado con el dispositivo porque está diseñado para crear redes complejas de fotones entrelazados, no solo un par a la vez, sino múltiples pares, todos entrelazados entre sí, algunos de los cuales son indistinguibles entre sí. Algunas tecnologías requieren estas variantes complejas del llamado entrelazamiento múltiple para esquemas sofisticados de procesamiento de información.
Otras tecnologías en miniatura basadas en la fotónica de silicio también pueden entrelazar fotones, pero sin el nivel tan necesario de entrelazamiento múltiple complejo. Hasta ahora, tales resultados solo eran posibles con varias mesas llenas de láseres, cristales especiales y otros dispositivos ópticos.
«Es bastante complicado y algo irresoluble cuando este enredo múltiple requiere más de dos o tres pares», dijo Brener. «Estas metasuperficies no lineales esencialmente cumplen esta tarea en una muestra, mientras que previamente se habrían requerido configuraciones ópticas increíblemente complejas».
El artículo científico describe cómo el equipo ajustó con éxito su metasuperficie para producir fotones enredados con diferentes longitudes de onda, un precursor crucial para la generación simultánea de múltiples pares de fotones intrincadamente entrelazados.
Sin embargo, los investigadores señalan en su trabajo que la eficiencia de su dispositivo, la velocidad a la que pueden generar grupos de fotones entrelazados, es más lenta que otras técnicas y necesita mejoras.
Las industrias comerciales, dijo Brener, están ocupadas desarrollando metasuperficies porque ocupan menos espacio y pueden hacer más con la luz que, digamos, una lente tradicional.
«Ahora puede reemplazar lentes y ópticas gruesas con metasuperficies», dijo Brener. “Este tipo de metasuperficies revolucionarán los productos de consumo”.
Sandia es una de las instituciones líderes en el mundo que realiza investigaciones sobre metasuperficies y metamateriales. Entre su complejo de ingeniería, ciencia y aplicaciones de microsistemas, que produce semiconductores compuestos, y el cercano Centro de Nanotecnologías Integradas, los investigadores tienen acceso a todas las herramientas especializadas que necesitan para diseñar, fabricar y analizar estos nuevos y ambiciosos materiales.
«El trabajo fue un desafío, ya que requería una tecnología de nanofabricación precisa para obtener las resonancias ópticas nítidas de banda estrecha que componen el proceso cuántico del trabajo», dijo Sylvain Gennaro, ex becario postdoctoral en Sandia que trabajó en varios aspectos del proyecto. .
El dispositivo fue diseñado, fabricado y probado por una asociación entre Sandia y un grupo de investigación dirigido por la física Maria Chekhova, experta en entrelazamiento cuántico de fotones en el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz.
«Las metasuperficies conducen a un cambio de paradigma en la óptica cuántica al combinar fuentes de luz cuánticas ultrapequeñas con posibilidades de gran alcance para la ingeniería cuántica de estados», dijo Tomás Santiago-Cruz, miembro del equipo de Max Plank y primer autor de la publicación.
Brener, que ha estudiado metamateriales durante más de una década, dijo que esta última investigación podría desencadenar una segunda revolución, una que podría usar estos materiales no solo como un nuevo tipo de lente, sino como tecnología para el procesamiento de información cuántica y otras aplicaciones nuevas. desarrollado .
“Ha habido una ola de metasuperficies que está bien establecida y en camino. Tal vez se avecina una segunda ola de aplicaciones innovadoras”, dijo.
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