- El equipo de investigación genera con éxito pares de fotones con un 90 % de similitud, cruciales para la comunicación cuántica.
- Se utilizan puntos cuánticos semiconductores y cavidades ópticas resonantes para generar fotones prácticamente indistinguibles.
- El proceso de desintegración biexcitónica acelera la emisión de luz, permitiendo una generación controlada.
- Una mayor indistinguibilidad de los fotones reduce los errores en el procesamiento de datos.
Investigadores de las universidades de Basilea, Ruhr y Paderborn han unido fuerzas para lograr un importante avance en el campo de la comunicación cuántica, generando con éxito pares de fotones idénticos en un 90 %. Estas partículas prácticamente indistinguibles pueden utilizarse para lograr el entrelazamiento cuántico o la interferencia, fenómenos cruciales para la comunicación cuántica. La comprensión de la física cuántica abre nuevos horizontes para la computación y la detección. Los científicos emplean distintos materiales para almacenar y procesar información a nivel cuántico, recurriendo a diversos enfoques, entre ellos iones atrapados, átomos neutros, circuitos superconductores y fotones como bits cuánticos o qubits. Los fotones se encuentran entre los portadores de información más fáciles de manipular.
Sin embargo, para utilizarlos en la comunicación cuántica deben poseer características idénticas o ser mutuamente «indistinguibles». Los intentos previos de generar estos fotones tuvieron un éxito limitado, ya que los fotones o bien se enfocaban mal o bien solo estaban correlacionados temporalmente.
Una tecnología revolucionaria de generación de fotones
El esfuerzo conjunto de investigadores de Basilea, Ruhr y Paderborn ha superado este obstáculo mediante puntos cuánticos semiconductores. Los investigadores utilizaron puntos cuánticos semiconductores equipados con cavidades ópticas resonantes, valiéndose de un proceso denominado «desintegración biexcitónica» para generar fotones prácticamente indistinguibles. En este proceso, una molécula compuesta por dos excitones enlazados se desintegra y emite un excitón y un fotón. «Los puntos cuánticos suelen describirse como átomos artificiales en un semiconductor, capaces de generar fotones individuales», explica Stefan Schumacher, profesor de Estructuras Fotónicas Funcionales en la Universidad de Paderborn. «Al integrarlos en una cavidad óptica especializada —similar a la de un láser—, este trabajo logra acelerar y controlar de manera particular el proceso de emisión de luz».
Un excitón está compuesto por un electrón y un hueco electrónico; en este proceso, el punto cuántico se excita doblemente y, a continuación, la excitación decae. Así, la cascada biexcitónica genera dos fotones, uno tras otro. Lo que es más importante, los pares de fotones pueden generarse a petición, lo que resulta muy útil para el despliegue de las tecnologías de la nueva era.
Métodos de optimización de la pureza de los fotones
El equipo de investigación estudió más a fondo la interacción entre el punto cuántico y la cavidad óptica, trabajo dirigido por Richard Warburton, profesor de Física Experimental de la Materia Condensada en la Universidad de Basilea. Aunque esta labor ha contribuido a avances decisivos en diversos ámbitos, el equipo conjunto aplicó la ciencia de la desintegración biexcitónica para que esta se produjera de forma controlada. Ello permitió a los investigadores alcanzar un 90 % de indistinguibilidad, una mejora frente al 60 % logrado anteriormente. Una mayor indistinguibilidad de los fotones se traduce en menos errores en el procesamiento de datos. «La excelente concordancia de los resultados con las predicciones teóricas señala el camino para generar fotones con una indistinguibilidad aún mayor», añade Warburton en un comunicado de prensa.
«Han demostrado que la desintegración biexcitónica puede producir fotones de altísima calidad, siempre que el sistema esté debidamente controlado mediante el uso de una cavidad».
Klaus Jöns, responsable de Dispositivos Fotónicos Cuánticos Híbridos en la Universidad de Paderborn, señala: «Hemos descubierto que la pureza de los fotones generados también puede optimizarse mediante la cavidad resonante, limitada únicamente por las vibraciones de la red del semiconductor (fonones). Este fenómeno, denominado «alimentación de cavidad», debe tenerse en cuenta en futuros diseños y puede minimizarse sistemáticamente». Los resultados de esta investigación se han publicado en la revista Physical Review Applied.
Cómo la nueva tecnología impulsa el desarrollo de la comunicación cuántica
Este trabajo pone de relieve el potencial de los puntos cuánticos semiconductores en la comunicación cuántica, especialmente mediante la desintegración biexcitónica para generar fotones de alta calidad. A medida que aumenta la indistinguibilidad de los fotones, ello contribuirá a mejorar la fiabilidad de la comunicación cuántica y a reducir los errores en el procesamiento de datos. Los logros del equipo de investigación no solo impulsan el desarrollo de la tecnología de comunicación cuántica, sino que también podrían influir en la futura computación cuántica y en las tecnologías de detección, ya que ambos campos dependen de una manipulación eficiente de los bits cuánticos.