Investigadores del Reino Unido, Japón y Países Bajos han fabricado el circuito cuántico integrado funcional más complejo jamás creado de un solo material, capaz de generar fotones y entrelazarlos entre ellos al mismo tiempo. El circuito consiste en dos fuentes de fotones en un chip de silicio que interfiere con la mecánica cuántica. Sus inventores dicen que podría ser utilizado en aplicaciones de procesamiento de información cuántica y en complejos experimentos de óptica cuántica.
La interferencia cuántica está en el corazón de muchos algoritmos y tecnologías de procesamiento de información cuántica. Sin embargo, para observar este efecto singular cuántico-mecánico, los fotones necesitan ser indistinguibles cuando son empleados -es decir, tienen que ser idénticos en todos los sentidos posibles. También tienen que ser producidos a partir de fuentes de fotones idénticas, algo que ha resultado difícil de hacer en el pasado.
Un equipo de investigadores dirigido por Mark Thompson, de la Universidad de Bristol en el Reino Unido ha logrado superar este obstáculo y ha conseguido realizar dos fuentes de fotones idénticas en un solo chip de silicio, por primera vez. “Estas fuentes producen luz entrelazada -que podemos controlar- e interferencias cuánticas mecánicamente en el mismo chip”, explica Thompson.
Para generar los fotones en su microprocesador, los investigadores comenzaron inyectando un fuerte haz de láser infrarrojo. El haz produce pares de fotones a través de una interacción no lineal con el material de silicio en un proceso llamado mezcla espontánea de cuatro ondas.
“Hemos inyectado el haz en dos regiones en el chip (estas regiones, posteriormente, se convierten en las dos fuentes) y combinamos la luz cuántica que se produce utilizando un elemento divisor de haz, también en el chip”, dijo el miembro del equipo de Bristol Josh Silverstone .“Después controlamos con precisión la longitud de la trayectoria recorrida por los fotones a través de una de las fuentes cambiando la temperatura de una de las dos guías de onda contenidas en el chip y se observaron franjas de interferencia cuántica.” Estas franjas son un patrón de la firma de dos fotones de interferencia cuántica.
Una gran ventaja de la fotónica cuántica de silicio es que estas estructuras se pueden fabricar usando métodos que son muy similares a los utilizados para hacer los modernos CMOS de microelectrónica, dice Thompson. “Nuestros circuitos particulares fueron hechos por Toshiba en Kawasaki, Japón, mediante el uso de técnicas de fabricación de silicio estándar, pero podría haberse usado cualquier CMOS. A largo plazo, podría incluso preverse que los fotones cuánticos y la electrónica estándar estarán integrados en un único chip.”
El circuito de hecho en este trabajo también se podría utilizar para llevar a cabo experimentos más complejos en el chip de óptica cuántica que los posibles en óptica común o de fibra. “Hay incluso más amplias implicaciones para el futuro, sin embargo, en que muchas fuentes de pares de fotones pueden ser combinadas en chips de silicio individuales y trabajar juntos de una manera muy eficiente”, añade Thompson.
El equipo, que incluye a investigadores de la Universidad de Glasgow en Escocia y el Instituto Kavli de Nanociencia de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, planea ahora combinar los elementos necesarios para que los sistemas cuánticos fotónicos estén totalmente integrados en un solo dispositivo. “Hasta ahora, hemos combinado las fuentes cuánticas con circuitos cuánticos, pero el próximo gran desafío será incluir detectores de fotones individuales y, a continuación, escalar hasta los cientos de componentes en un chip necesarios para realizar las tareas de procesamiento de información cuántica compleja con fotones,”revela Thompson.
Gracias a su circuito, el equipo fue capaz de examinar la interferencia cuántica entre dos fuentes de fotones en el chip por primera vez. Las fuentes indican interferencias extremadamente altas cuánticas, lo que implica que están excepcionalmente bien adaptados.“Esa buena adaptación es un requisito previo para la construcción de cualquier sistema cuántico-óptico a mayor escala”, concluye Thompson.
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