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(Foco Nanowerk) En los esfuerzos por desarrollar computadoras cuánticas y redes de comunicaciones seguras, un pequeño dispositivo llamado fuente de fotón único es un componente crucial. Al emitir luz como una corriente de fotones individuales, estas fuentes pueden crear bits cuánticos, o qubits, que forman la base de las tecnologías de la información cuántica. Sin embargo, producir fuentes de fotón único eficientes, confiables y escalables ha demostrado ser un desafío enorme y ha limitado el progreso en este campo.
Un equipo de investigadores de China informa de avances significativos que finalmente podrían superar este cuello de botella. Correo registrado Luz: ciencia y aplicaciones (“Puntos cuánticos sintonizables en microcavidades monolíticas de Fabry-Perot para fuentes de fotón único de alto rendimiento”) describen un nuevo tipo de fuente de fotón único basada en un punto cuántico incrustado en una microcavidad especialmente diseñada. Al integrar varias innovaciones clave, su dispositivo logra una combinación de métricas de rendimiento que se ha buscado durante mucho tiempo pero que nunca antes se había demostrado.
El corazón del dispositivo es un punto cuántico, una isla semiconductora a nanoescala que puede emitir fotones individuales cuando se excita con un láser. Los puntos cuánticos son una plataforma líder para fuentes de fotón único, pero tienen varios problemas. En primer lugar, normalmente sólo se puede recoger una pequeña fracción de los fotones emitidos, mientras que el resto emerge en ángulos aleatorios. En segundo lugar, las variaciones entre puntos individuales dan lugar a longitudes de onda de emisión impredecibles. Finalmente, las interacciones con el material circundante pueden reducir la indistinguibilidad de los fotones emitidos, un requisito importante para las aplicaciones cuánticas.
Para resolver estos problemas, los investigadores recurrieron a un método probado: incrustar el punto cuántico en una cavidad óptica. Como una sala microscópica de espejos, una cavidad puede capturar y amplificar la luz, dirigiéndola hacia una salida útil. Cuando la cavidad se sintoniza con precisión para resonar con la emisión de puntos cuánticos, se produce un fenómeno llamado efecto Purcell, que aumenta la tasa de emisión de fotones al tiempo que mejora la precisión direccional y la indistinguibilidad.
Los diseños de cavidades de puntos cuánticos se han estudiado antes, pero todos tienen inconvenientes. Las cavidades abiertas son muy sensibles a las vibraciones y ocupan mucho espacio. Los diseños grabados directamente a partir de material semiconductor, como los micropilares, proporcionan estabilidad, pero son difíciles de fabricar alrededor de puntos cuánticos seleccionados. La nueva microcavidad tiene como objetivo superar estas limitaciones combinando métodos de fabricación novedosos con un diseño óptico optimizado.
El dispositivo consta de dos espejos hechos de capas alternas de material dieléctrico, formando los llamados reflectores de Bragg distribuidos. Entre los espejos hay una capa espaciadora con un defecto único en forma de lente que sirve para enfocar la luz en el centro de la cavidad. Un único punto cuántico está incrustado directamente en el foco de este defecto, que fue preseleccionado debido a su alta calidad.
El uso de espejos dieléctricos es una innovación clave. A diferencia de los enfoques anteriores basados en espejos semiconductores, los materiales dieléctricos pueden revestir conformemente el defecto lenticular, manteniendo un modo de cavidad uniforme. Esto permite reducir las dimensiones de la cavidad a la escala de unos pocos micrómetros y al mismo tiempo lograr un factor de alta calidad, una medida de qué tan bien captura la luz. Una cavidad más pequeña da como resultado una interacción más fuerte con el punto cuántico y un factor de Purcell más alto.
Igualmente importante es cómo los investigadores colocan el punto cuántico en el punto de acceso de la cavidad. En lugar de buscar alineaciones aleatorias en millones de dispositivos, utilizan una técnica llamada litografía por haz de electrones in situ para localizar puntos individuales y luego formar cavidades a su alrededor. Este enfoque determinista permite mejoras masivas en el rendimiento y la escalabilidad.
Quizás la innovación más significativa sea la integración de la cavidad con un actuador piezoeléctrico. Los espejos y el punto cuántico primero se cultivan sobre un sustrato de sacrificio y luego se transfieren al actuador como una membrana delgada y flexible. La aplicación de un voltaje al actuador crea un voltaje en la capa de puntos cuánticos, lo que permite ajustar la longitud de onda de emisión en casi un nanómetro para que coincida con la resonancia de la cavidad.
Ajustar la longitud de onda es crucial porque incluso con un posicionamiento preciso, pequeñas desviaciones entre los puntos cuánticos hacen imposible hacer coincidir de manera confiable su emisión con la cavidad. Los métodos de sintonización anteriores requerían cambiar la temperatura o la potencia del láser, los cuales pueden afectar la emisión de fotón único. Sin embargo, mediante la sintonización de voltaje, se conservan las propiedades cuánticas originales del punto.
El resultado de todas estas innovaciones es una fuente única de fotones que cumple todos los requisitos para las aplicaciones de la tecnología cuántica. Cuando el punto cuántico se adapta perfectamente a la cavidad, se produce un aumento de nueve veces en la emisión de fotones. Esto permite recolectar el 58% de los fotones individuales producidos, una gran mejora con respecto al pequeño porcentaje posible sin una cavidad.
Al mismo tiempo, la indistinguibilidad de los fotones, una medida de cuán idénticos son los fotones, alcanza el 92%. Esto es crucial para aplicaciones cuánticas como la criptografía y la informática, que dependen de que los fotones sean completamente intercambiables. Los fotones también están altamente polarizados, lo cual es importante para interactuar con otros componentes fotónicos.
Las posibilidades de ampliar la tecnología son igualmente impresionantes. Debido a que la microcavidad está construida sobre una membrana delgada y flexible, potencialmente se podrían combinar cientos o miles de ellas en un solo chip piezoeléctrico, con cada cavidad sintonizada a la misma longitud de onda. Esto permitiría la creación de grandes conjuntos de fuentes idénticas de fotón único, un paso crucial hacia las computadoras cuánticas prácticas.
La integración con controles electrónicos también es prometedora. Al agregar electrodos de superficie, debería ser posible controlar con precisión la carga y el estado de espín del punto cuántico. Esto podría permitir el entrelazamiento de los espines de los electrones con los fotones emitidos, una función clave para las redes cuánticas. Los puntos cuánticos también podrían servir como memoria cuántica para almacenar y procesar información localmente.
Si bien aún queda mucho trabajo por hacer para optimizar el rendimiento y la escalabilidad, la nueva microcavidad de punto cuántico sintonizable por voltaje representa un hito importante para las fuentes de luz cuánticas: al lograr simultáneamente alta eficiencia, indistinguibilidad y escalabilidad, elimina algunos de los principales obstáculos en la forma en que se practican las tecnologías cuánticas.
Más fundamentalmente, el dispositivo es una prueba impresionante de la capacidad de crear con precisión estados cuánticos de luz y materia a nanoescala. A medida que las tecnologías clásicas alcanzan rápidamente los límites de la miniaturización, la capacidad de aprovechar los efectos cuánticos en dispositivos microscópicos será fundamental para mantener el ritmo de la innovación en informática y comunicaciones. La microcavidad sintonizable por voltaje muestra cómo el ingenio científico puede cerrar la brecha entre el mundo cuántico y las aplicaciones del mundo real.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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