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Nuevo avance en fruta cuántica: fabrican circuitos de fotones en una lámina ultradelgada
Investigadores estadounidenses han logrado recientemente fabricar dispositivos ópticos cuánticos que manipulan a voluntad partículas de luz, y son más pequeños que nunca. Afirman que pueden reproducir fenómenos como la interferencia de fotones y el entrelazamiento cuántico, que se utilizan en fruta cuántica, todo en una sola placa ultrafina.
Entre las fruta cuánticas y las comunicaciones cuánticas, los métodos basados en la tecnología de comunicación óptica procesan la información interfiriendo y entrelazando partículas de luz de formas complejas. Sin embargo, los sistemas convencionales requieren docenas de componentes como lentes, espejos y divisores de haces que separan las trayectorias de la luz. El número de componentes y errores aumenta a medida que se amplía la escala del sistema, lo que ha supuesto un obstáculo para su aplicación práctica.
En respuesta, investigadores estadounidenses han diseñado una placa ultrafina denominada "metasuperficie" con irregularidades a escala nanométrica y han
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mecanismo capaz de reproducir fenómenos como la interferencia de fotones y el entrelazamiento cuántico en un único dispositivo. Así se ha conseguido sustituir componentes voluminosos como guías de ondas ópticas y elementos ópticos por una estructura ultrafina capaz de curvar y dividir la luz como se desee.
Las metasuperficies son materiales artificiales formados por nanoestructuras metálicas o dieléctricas talladas en sustratos de vidrio o silicio, con un grosor de apenas unos cientos de nanómetros, menos de la centésima parte de un cabello. Las muestras típicas de investigación tienen entre unos milímetros y unos centímetros cuadrados, y son lo bastante pequeñas como para caber en la punta de un dedo.
Al encajar todo el circuito óptico cuántico en una sola metasuperficie, hemos mejorado mucho el problema de la escalabilidad",
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Kerolos Youssef, estudiante de posgrado de la Universidad de Harvard. En comparación con los sistemas ópticos complejos convencionales, la estructura de la metasuperficie es estable y robusta, y más resistente a las fluctuaciones externas".
Un plano matemático
Youssef y su equipo aplicaron los métodos de la teoría matemática de grafos al diseño de la metasuperficie. Expresando las trayectorias de los fotones y las relaciones de interferencia en términos de puntos y líneas, pudieron comprender intuitivamente qué fotones se encuentran dónde y cómo interfieren entre sí.
La teoría de grafos es un método matemático que utiliza puntos (nodos) y líneas (aristas) para representar las conexiones y relaciones entre cosas. Puede aplicarse a la visualización de diversas estructuras, como ciudades y carreteras, circuitos eléctricos y gráficos en las redes sociales. Esto ha dado lugar a un proyecto para encajar de forma compacta redes de cuantos de luz en nanoestructuras grabadas en la superficie de placas ultrafinas, mientras que los dispositivos convencionales requieren grandes espacios.
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Diagrama conceptual de una metasuperficie. Al grabar irregularidades a escala nanométrica en un sustrato, los investigadores lograron integrar las funciones de componentes voluminosos, como guías de ondas ópticas y elementos ópticos, en una estructura ultrafina.Ilustración: Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard
En concreto, el efecto Hong-Oh-Mandel (HOM ), que hasta ahora tenía que implementarse mediante una compleja combinación de divisores de haces y espejos, se reprodujo en una sola metasuperficie. El efecto HOM se refiere al fenómeno por el cual cuando dos fotones se inyectan simultáneamente en un divisor de haz, ambos fotones salen siempre por la misma salida simultáneamente debido a la interferencia cuántica. En el presente estudio, este efecto HOM puede reproducirse en situaciones complejas en las que se utilizan más fotones y salidas.
Además, las metasuperficies también pueden crear estados de entrelazamiento cuántico, en los que los fotones se entrelazan entre sí de formas complejas. El entrelazamiento cuántico, uno de los fundamentos del procesamiento cuántico de la información, se refiere a un fenómeno en el que varios fotones pasan simultáneamente por diferentes vías, pero sus estados están estrechamente relacionados entre sí. Para crear tales estados, los métodos convencionales requieren muchos divisores de haz y espejos.
Utilizando metasuperficies, los investigadores han logrado ahora complejas operaciones cuánticas denominadas ‘interferencia multifotónica’ y ‘transformaciones de Adamar’. La interferencia multifotón es una interferencia cuántica que se produce cuando los fotones se bifurcan en múltiples caminos simultáneamente y acaban superponiéndose. La transformación de Adamar es la operación de repartir uniformemente la probabilidad de existencia de un fotón por múltiples caminos y es el punto de partida del procesamiento paralelo en fruta cuántica. La capacidad de realizar estas operaciones sin circuitos ópticos físicos a gran escala es la principal ventaja de las metasuperficies.
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Keloros Youssef (derecha), estudiante de posgrado en la Universidad de Harvard, y su profesor, el físico Federico Capasso.Foto: Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard
Laboratorio tallado en una placa
La importancia de este enfoque va más allá de la mera miniaturización. Los dispositivos ópticos convencionales sufren el problema de que la más mínima vibración o cambio de temperatura provoca una pérdida de alineación y precisión. Las metasuperficies son resistentes a esos cambios ambientales porque la propia estructura es ultrafina y está integrada. Además, la pérdida de luz es mínima y casi no es necesaria una alineación precisa, lo que supone una gran ventaja en términos de costos de fabricación.
Estas características conducen directamente a aplicaciones potenciales en redes y sensores cuánticos. Por ejemplo, pueden ponerse en práctica transpondedores de comunicación cuántica compactos que pueden funcionar a temperatura ambiente y dispositivos experimentales cuánticos
lab-on-a-chip que pueden completarse en un escritorio. La realización de dispositivos cuánticos que no requieran grandes laboratorios ópticos sería un paso importante para acercar la tecnología cuántica a la aplicación social.
Sin embargo, sigue habiendo retos. Para aplicar la tecnología a la fruta cuántica a gran escala y a las redes que manejan más fotones simultáneamente, es inevitable tomar medidas contra la decoherencia, la ruptura de los estados cuánticos por ligeras fluctuaciones del mundo exterior.
No obstante, un futuro en el que los grandes dispositivos ópticos que solían dominar los escritorios puedan ser sustituidos por placas lo suficientemente pequeñas como para caber en un bolsillo se está haciendo realidad. La óptica cuántica puede estar avanzando con paso firme de la teoría al uso práctico.