La fuente de luz entrelazada está completamente en el chip

Los pares de fotones entrelazados son un ingrediente clave de las computadoras cuánticas fotónicas, los sistemas de distribución de claves cuánticas y muchos diseños de redes cuánticas. La producción de fotones entrelazados a pedido generalmente requiere láseres voluminosos y procedimientos de alineación prolongados, y esto limita la viabilidad comercial de estas tecnologías. Ahora, un equipo de investigadores de Alemania y los Países Bajos ha utilizado una nueva arquitectura para combinar varias tecnologías fotónicas integradas en un solo dispositivo. El resultado es una fuente de fotones entrelazados en un chip del tamaño de una moneda de un euro.

“Este chip es muy fácil de usar”, dice un miembro del equipo Raktim Haldar, quien es investigador postdoctoral en la Universidad Leibniz de Hannover. "Simplemente enchúfelo y enciéndalo, y puede generar los fotones cuánticos; no necesita nada más ni ninguna otra experiencia". Agrega que en el futuro, la fuente podría encontrarse en cada procesador cuántico óptico de la misma manera que las baterías de iones de litio se encuentran en todos los sistemas electrónicos en la actualidad.

Los bits cuánticos fotónicos (qubits) son una de varias tecnologías que compiten para convertirse en la base de las futuras computadoras cuánticas. Ofrecen varias ventajas sobre otros tipos de qubits, incluidos los basados ​​en dispositivos superconductores y átomos o iones atrapados. Por ejemplo, los qubits fotónicos no necesitan enfriarse a temperaturas criogénicas y son menos susceptibles al ruido ambiental que puede destruir sistemas cuánticos delicados.

Difícil de enredar

En el lado negativo, los qubits fotónicos son más susceptibles a las pérdidas y son mucho más difíciles de enredar, ya que este último es necesario para los cálculos que involucran más de un qubit a la vez.

La fotónica integrada, en la que los fotones se limitan a viajar en guías de ondas de micras de ancho impresas en chips, ofrece una forma de mejorar las computadoras cuánticas basadas en la luz.

"Las computadoras cuánticas fotónicas tienen un gran problema con la pérdida", dice elizabeth goldschmidt, un profesor de óptica cuántica de la Universidad de Illinois Urbana Champaign que no participó en la creación de la nueva fuente. “Debido a que las interfaces son particularmente con pérdidas, es muy importante pasar al chip”.

En su última investigación, Haldar y sus colegas han creado un sistema fotónico en un chip que genera fotones entrelazados. Consta de tres componentes principales: un láser; un filtro que garantiza la estabilidad del láser en una banda de frecuencia estrecha; y un medio no lineal que genera pares de fotones entrelazados. Si bien los láseres y las fuentes de luz cuántica que requieren un láser externo se han creado en el chip antes, poner ambos en el mismo chip ha sido un desafío. Esto se debe a que los materiales utilizados para el láser son diferentes de los necesarios para el filtrado y la generación de pares entrelazados, y los procesos de fabricación de los dos materiales son generalmente incompatibles.

Integración híbrida

El equipo superó esta incompatibilidad usando una técnica llamada integración híbrida. El medio de ganancia utilizado para el láser estaba hecho de fosfuro de indio, mientras que los componentes de filtrado y generación de fotones estaban hechos de nitruro de silicio. Para unir a los dos, el equipo utilizó la experiencia de Klaus BöllerEl grupo de la Universidad de Twente. El equipo de Boller es experto en unir diferentes chips con suficiente delicadeza para que los componentes microscópicos que guían la luz se alineen y conecten tan perfectamente que apenas se pierde luz en la interfaz. Para evitar la reflexión en la interfaz, agregaron una capa antirreflectante y colocaron el extremo de la guía de ondas de fosfuro de indio hacia arriba del chip 9°. Esto les permitió lograr menos de 0.01 dB de pérdida en la interfaz.

El enredo de fotones revivido podría mejorar la comunicación y las imágenes cuánticas   

Para ayudar en la integración perfecta de todos los componentes, el equipo eligió un diseño en el que el medio de ganancia láser, el filtro y las guías de ondas de generación de pares de fotones están contenidos dentro de la cavidad láser. “Se les ocurrió este esquema inteligente para integrar tanto el filtrado como la producción de pares en los mismos anillos de nitruro de silicio y el láser en el mismo chip, lo cual es genial”, explica Goldschmidt.

Diseñar todo el mecanismo dentro de la cavidad del láser no fue tarea fácil. En particular, el filtro que emplearon no se había adaptado para propósitos de luz cuántica y trabajaron duro para adaptarlo. “La pérdida tiene que ser igual a la ganancia total para mantener la acción del láser”, dice Haldar, “y ese es un desafío técnico muy difícil. Si un espacio entre dos guías de ondas es, digamos, de 200 nm, cambiarlo a solo 180 nm puede hacer que todo el chip no funcione”.

El chip crea pares de fotones de frecuencia entrelazada con una fidelidad del 99 % unas 1000 veces por segundo. El equipo ahora está trabajando para ampliar las capacidades fotónicas en el chip para incluir la creación de estados de cúmulos multifotónicos. Estos son estados que comprenden múltiples fotones entrelazados que podrían usarse como qubits efectivos que son menos susceptibles a las pérdidas. La creación de estados de clúster efectivos es un problema abierto difícil en la computación cuántica. Goldschmidt dice, "multiplexar varias de estas fuentes en el mismo chip es un camino muy claro hacia adelante y le permite entrelazar más grados de libertad y construir estados entrelazados más complicados".

Describieron sus resultados en Nature Photonics.

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