Investigadores de Japón anuncian avances cuánticos a temperatura ambiente: análisis de noticias sobre informática de alto rendimiento | dentro de HPC

El profesor asociado Mark Sadgrove y el Sr. Kaito Shimizu de TUS y el profesor Kae Nemoto del Instituto de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Graduados de Okinawa también formaron parte de este estudio. Esta fuente de luz de fotón único recientemente desarrollada elimina la necesidad de costosos sistemas de refrigeración y tiene el potencial de hacer que las redes cuánticas sean más rentables y accesibles.

Los emisores de fotón único conectan mecánicamente bits cuánticos (o qubits) entre nodos en redes cuánticas. Por lo general, se fabrican incorporando elementos de tierras raras en fibras ópticas a temperaturas extremadamente bajas. Ahora, investigadores de Japón, dirigidos por el profesor asociado Kaoru Sanaka de la Universidad de Ciencias de Tokio, han desarrollado una fibra óptica dopada con iterbio a temperatura ambiente. Al evitar la necesidad de costosas soluciones de refrigeración, el método propuesto ofrece una plataforma rentable para aplicaciones cuánticas fotónicas.

Los sistemas basados ​​en cuántica prometen una computación más rápida y un cifrado más sólido para los sistemas de computación y comunicación. Estos sistemas se pueden construir sobre redes de fibra que involucran nodos interconectados que consisten en qubits y generadores de fotón único que crean pares de fotones entrelazados.

En este sentido, los átomos e iones de tierras raras (RE) en materiales de estado sólido son muy prometedores como generadores de fotón único. Estos materiales son compatibles con redes de fibra y emiten fotones en una amplia gama de longitudes de onda. Debido a su amplio rango espectral, las fibras ópticas dopadas con estos elementos RE podrían encontrar uso en diversas aplicaciones, como telecomunicaciones en espacio libre, telecomunicaciones basadas en fibra, generación cuántica de números aleatorios y análisis de imágenes de alta resolución. Sin embargo, hasta ahora se han desarrollado fuentes de luz de fotón único utilizando materiales cristalinos dopados con RE a temperaturas criogénicas, lo que limita las aplicaciones prácticas de las redes cuánticas basadas en ellos.

Para fabricar la fibra óptica dopada con iterbio, los investigadores estrecharon una fibra dopada con iterbio disponible comercialmente utilizando una técnica de calor y tracción, donde una sección de la fibra se calienta y luego se tira con tensión para reducir gradualmente su diámetro.

Dentro de la fibra cónica, los átomos RE individuales emiten fotones cuando se excitan con un láser. La separación entre estos átomos de RE juega un papel crucial en la definición de las propiedades ópticas de la fibra. Por ejemplo, si la separación promedio entre los átomos RE individuales excede el límite de difracción óptica, que está determinado por la longitud de onda de los fotones emitidos, la luz emitida por estos átomos parece provenir de grupos en lugar de fuentes individuales distintas.

Para confirmar la naturaleza de estos fotones emitidos, los investigadores emplearon un método analítico conocido como autocorrelación, que evalúa la similitud entre una señal y su versión retardada. Al analizar el patrón de fotones emitidos mediante autocorrelación, los investigadores observaron emisiones no resonantes y obtuvieron además evidencia de emisión de fotones del único ion iterbio en el filtro dopado.

Si bien se puede mejorar aún más la calidad y cantidad de los fotones emitidos, la fibra óptica desarrollada con átomos de iterbio se puede fabricar sin necesidad de costosos sistemas de refrigeración. Esto supera un obstáculo importante y abre las puertas a diversas tecnologías de información cuántica de próxima generación. “Hemos demostrado una fuente de luz monofotónica de bajo coste con longitud de onda seleccionable y sin necesidad de sistema de refrigeración. En el futuro, puede permitir diversas tecnologías de información cuántica de próxima generación, como verdaderos generadores de números aleatorios, comunicación cuántica, operaciones de lógica cuántica y análisis de imágenes de alta resolución más allá del límite de difracción”, concluye el Dr. Sanaka.