- El detector de un solo fotón desarrollado en China cuenta con 100 canales, impulsando la tecnología de redes cuánticas.
- La fidelidad de comunicación del detector supera el 90%, lo que demuestra su efectividad.
- Los investigadores utilizaron nuevos materiales para superar el problema de carga térmica, mejorando el rendimiento.
- Los resultados de las pruebas mostraron una eficiencia de detección del 80% y una tasa de falsos positivos extremadamente baja.
El Instituto de Microsistemas y Tecnología de la Información de Shanghai (SIMIT) ha desarrollado un detector de un solo fotón con 100 canales, allanando el camino para el desarrollo de redes cuánticas de banda ancha en China. La red prototipo probada con este detector mostró una fidelidad de comunicación superior al 90%. A medida que avanzan las tecnologías de computación y sensores cuánticos, la demanda de redes de información cuántica seguirá creciendo. Aunque se están probando diferentes esquemas de red, aquellos que son similares a las redes de fibra óptica existentes tienen un mayor potencial debido a su facilidad de transformación. Los detectores de un solo fotón (SPD) son componentes clave de este tipo de redes, ya que pueden medir fotones o partículas de luz individuales, lo que permite almacenar información cuántica.
Los SPDs pueden ayudar a implementar enlaces de fibra óptica o espaciales para la transmisión de datos cuánticos, y también facilitan el entrelazamiento cuántico o la transferencia instantánea, al transmitir estados cuánticos a los fotones.
Desafíos y necesidades de los SPDs
El desafío de utilizar SPDs radica en que, para que la tecnología cuántica se desarrolle y expanda, es necesario desarrollar SPDs de mayor capacidad. Actualmente, hay dos tipos principales de SPDs utilizados en la investigación cuántica. Los detectores de un solo fotón de nanofibras superconductoras (SNSPDs) son dispositivos fotónicos de alta gama con una precisión de detección extremadamente alta, pero requieren operar a temperaturas muy bajas. Por otro lado, los diodos de avalancha de un solo fotón (SPADs) pueden funcionar a temperatura ambiente, pero su precisión es menor, lo que hace que los SNSPDs sean más preferidos. Sin embargo, los requisitos de temperatura extremadamente baja de los SNSPDs también presentan otros desafíos.
Durante el proceso de lectura, los SNSPDs deben conectarse a instrumentos que se mantienen a temperatura ambiente. Esto generalmente se logra mediante cables coaxiales relativamente gruesos y hechos de metales térmicamente conductores, que permiten que el calor a temperatura ambiente ingrese a la cámara de baja temperatura del SNSPD, lo que se conoce como carga térmica. A medida que aumenta el número de canales de detección dentro del SNSPD, también aumenta la cantidad de cables de lectura necesarios, lo que incrementa la carga térmica.
Aplicación y efectos de nuevos materiales
Para superar este problema, los investigadores de SIMIT rediseñaron completamente el SNSPD y reemplazaron el cable coaxial por un material flexible especial llamado microbandas multicore de alta densidad. Estas microbandas no solo son ultradelgadas, sino que también tienen una buena capacidad de aislamiento térmico, por lo que la cantidad de calor que regresan a la cámara de baja temperatura es muy limitada. Según el equipo de SIMIT, el calor que ingresa al sistema es solo una veintiuna parte del de los cables tradicionales. Esto les permitió aumentar el número de canales independientes sin aumentar significativamente el tamaño del SNSPD.
Para probar su diseño, los investigadores realizaron un funcionamiento continuo durante siete días, y encontraron que la temperatura de la cámara de baja temperatura se mantenía por debajo de 2.1K, cerca del cero absoluto de 0K (-273.15 grados Celsius). Durante la prueba, la eficiencia de detección de los canales alcanzó el 80%, mientras que la tasa de falsos positivos reportada fue extremadamente baja, como señalaron los investigadores en un artículo.
Pruebas de red de distribución de entrelazamiento cuántico
Para realizar una comparación más cercana a situaciones reales, el equipo de investigación estableció una red de distribución de entrelazamiento cuántico con cinco usuarios y configuró 10 enlaces cuánticos bidireccionales. Cada usuario recibió fotones a través de los canales SPD recién desarrollados y descubrió que la fidelidad de comunicación, es decir, la conservación de la información cuántica, superaba el 90%. Los resultados de esta investigación han sido publicados en la revista Laser & Photonics Reviews.
Elemento Especificaciones Número de canales 100 Eficiencia de detección 80% Temperatura de operación 2.1K
Cómo el nuevo detector afecta el desarrollo de la tecnología cuántica
Los detectores de un solo fotón juegan un papel importante en la tecnología cuántica, especialmente en la transmisión de datos cuánticos y el entrelazamiento cuántico. A medida que aumenta la demanda de redes cuánticas, el desarrollo de detectores de alto rendimiento se vuelve crucial. La investigación de SIMIT muestra que, a través de un diseño innovador y la aplicación de materiales, se pueden resolver efectivamente los problemas de carga térmica que enfrentan los detectores tradicionales, mejorando así la eficiencia de transmisión de información cuántica. Esto no solo ayuda a avanzar en el desarrollo del internet cuántico, sino que también puede fomentar la aplicación comercial de tecnologías relacionadas, teniendo un impacto profundo en el desarrollo tecnológico futuro.