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Esquema del resonador: la onda verde es el láser, los paquetes de ondas rojo y azul son el par de fotones generado, y el símbolo del infinito representa el entrelazamiento entre los dos fotones. Fuente: Università degli Studi di Pavia.
A diferencia del anillo mágico de Bilbo, que enreda a los corazones humanos, los ingenieros han creado un nuevo micro-anillo que enreda partículas individuales de luz, un importante primer paso para toda una serie de nuevas tecnologías.
El entrelazamiento o enredo -la conexión instantánea entre dos partículas sin importar su distancia- es uno de los fenómenos más interesantes y prometedores de toda la física.
Correctamente enjaezados, los fotones entrelazados podrían revolucionar la informática, las comunicaciones y la seguridad cibernética. Aunque son fáciles de crear en el laboratorio, aún no se ha conseguido crear una fuente funcional de fotones entrelazados que pueda caber en un chip de ordenador ordinario.
La nueva investigación, publicada ayer en la revista Optica, de la Sociedad Óptica (OSA, por sus siglas en inglés) estadounidense, describe cómo un equipo de científicos ha desarrollado, por primera vez, un componente microscópico que es lo suficientemente pequeño como para caber en un chip de silicio estándar, que puede generar un suministro continuo de fotones entrelazados.
El nuevo diseño, explica la nota de prensa de la OSA, se basa en una tecnología de silicio ya establecida, conocida como resonador de micro-anillo. Estos resonadores son en realidad bucles que se graban en obleas de silicio, y que pueden cercar y luego volver a emitir partículas de luz. Adaptando el diseño de este resonador, los investigadores crearon una novedosa fuente de fotones entrelazados que es increíblemente pequeña y altamente eficiente, por lo que es un componente de chip ideal.
"La principal ventaja de nuestra nueva fuente es que es a la vez pequeña, brillante y basada en silicio", explica Daniele Bajoni, investigador de la Università degli Studi di Pavia en Italia y co-autor del artículo. "El diámetro del anillo resonador es de tan sólo 20 micras, que es aproximadamente una décima parte de la anchura de un cabello humano. Las fuentes anteriores eran cientos de veces más grandes que la que hemos desarrollado".
Del entrelazamiento a la innovación
Los científicos y los ingenieros reconocen desde hace tiempo el enorme potencial práctico de los fotones entrelazados. Esta curiosa manifestación de la física cuántica, a la que Einstein se refirió como "acción fantasmal a distancia", tiene dos implicaciones importantes en la tecnología del mundo real.
En primer lugar, si algo actúa sobre uno de los fotones entrelazados, el otro responderá a esa acción de forma instantánea, incluso si está en el lado opuesto de un chip de ordenador o incluso en el lado opuesto de la galaxia. Este comportamiento podría aprovecharse para aumentar la potencia y la velocidad de los cálculos. La segunda implicación es que los dos fotones pueden ser considerados, en cierto sentido, una entidad única, lo que permitiría nuevos protocolos de comunicación que fueran inmunes al espionaje.
Este comportamiento aparentemente imposible es esencial, por lo tanto, para el desarrollo de determinadas tecnologías de próxima generación, como computadoras que sean mucho más potentes que los superordenadores más avanzados de hoy en día, y telecomunicaciones seguras.
El entrelazamiento o enredo -la conexión instantánea entre dos partículas sin importar su distancia- es uno de los fenómenos más interesantes y prometedores de toda la física.
Correctamente enjaezados, los fotones entrelazados podrían revolucionar la informática, las comunicaciones y la seguridad cibernética. Aunque son fáciles de crear en el laboratorio, aún no se ha conseguido crear una fuente funcional de fotones entrelazados que pueda caber en un chip de ordenador ordinario.
La nueva investigación, publicada ayer en la revista Optica, de la Sociedad Óptica (OSA, por sus siglas en inglés) estadounidense, describe cómo un equipo de científicos ha desarrollado, por primera vez, un componente microscópico que es lo suficientemente pequeño como para caber en un chip de silicio estándar, que puede generar un suministro continuo de fotones entrelazados.
El nuevo diseño, explica la nota de prensa de la OSA, se basa en una tecnología de silicio ya establecida, conocida como resonador de micro-anillo. Estos resonadores son en realidad bucles que se graban en obleas de silicio, y que pueden cercar y luego volver a emitir partículas de luz. Adaptando el diseño de este resonador, los investigadores crearon una novedosa fuente de fotones entrelazados que es increíblemente pequeña y altamente eficiente, por lo que es un componente de chip ideal.
"La principal ventaja de nuestra nueva fuente es que es a la vez pequeña, brillante y basada en silicio", explica Daniele Bajoni, investigador de la Università degli Studi di Pavia en Italia y co-autor del artículo. "El diámetro del anillo resonador es de tan sólo 20 micras, que es aproximadamente una décima parte de la anchura de un cabello humano. Las fuentes anteriores eran cientos de veces más grandes que la que hemos desarrollado".
Del entrelazamiento a la innovación
Los científicos y los ingenieros reconocen desde hace tiempo el enorme potencial práctico de los fotones entrelazados. Esta curiosa manifestación de la física cuántica, a la que Einstein se refirió como "acción fantasmal a distancia", tiene dos implicaciones importantes en la tecnología del mundo real.
En primer lugar, si algo actúa sobre uno de los fotones entrelazados, el otro responderá a esa acción de forma instantánea, incluso si está en el lado opuesto de un chip de ordenador o incluso en el lado opuesto de la galaxia. Este comportamiento podría aprovecharse para aumentar la potencia y la velocidad de los cálculos. La segunda implicación es que los dos fotones pueden ser considerados, en cierto sentido, una entidad única, lo que permitiría nuevos protocolos de comunicación que fueran inmunes al espionaje.
Este comportamiento aparentemente imposible es esencial, por lo tanto, para el desarrollo de determinadas tecnologías de próxima generación, como computadoras que sean mucho más potentes que los superordenadores más avanzados de hoy en día, y telecomunicaciones seguras.
Crear entrelazamiento en un chip
Para que estas nuevas tecnologías lleguen a buen término, sin embargo, hace falta una nueva clase de emisores de fotones entrelazados: aquellos que se puedan incorporar fácilmente a tecnologías de chips de silicio existentes. Lograr este objetivo ha sido muy difícil.
Hasta la fecha, los emisores de fotones entrelazados -que están hechos principalmente de cristales especialmente diseñados- podían reducirse a un tamaño de unos pocos milímetros, lo cual sigue siendo en muchos órdenes de magnitud demasiado grande para las aplicaciones en-chip.
Además, estos emisores requieren una gran cantidad de energía, que es un bien valioso en las telecomunicaciones y la informática.Para superar estos desafíos, los investigadores exploraron el potencial de resonadores en anillo como una nueva fuente de fotones entrelazados. Estos componentes optoelectrónicos bien establecidos pueden ser grabados fácilmente sobre una oblea de silicio de la misma manera que otros componentes de chips semiconductores.
Para alimentar el resonador, se dirige un haz láser a lo largo de una fibra óptica hacia la entrada de la muestra, y luego se acopla al resonador, donde los fotones corren alrededor del anillo. Esto crea un ambiente ideal para que los fotones se mezclen y se entrelacen.
A medida que los fotones salían del resonador, los investigadores eran capaces de observar que un notable alto porcentaje de ellos exhibía características que traslucían entrelazamiento.
"Nuestro dispositivo es capaz de emitir luz con sorprendentes propiedades de mecánica cuántica nunca antes observadas en una fuente integrada", explica Bajoni. "La velocidad a la que se generan los fotones entrelazados no tiene precedentes para una fuente de silicio integrada, y es comparable con la que se obtiene a partir de cristales en bruto que deben ser bombeados con láseres muy fuertes."
Aplicaciones y tecnología futura
Los investigadores creen que su trabajo es particularmente relevante porque demuestra, por primera vez, un efecto cuántico por excelencia, el entrelazamiento, en una tecnología bien establecida.
"En los últimos años, los dispositivos integrados de silicio han sido desarrollados para filtrar y enrutar luz, principalmente para aplicaciones de telecomunicaciones", observa Bajoni. "Nuestros resonadores de micro-anillo se pueden utilizar fácilmente junto a estos dispositivos, lo que nos acerca hacia la capacidad de aprovechar plenamente el entrelazamiento en un chip."
Como resultado de ello, esta investigación podría facilitar la adopción de tecnologías de la información cuántica, en particular los protocolos de criptografía cuántica, que garantizarían las comunicaciones seguras a un nivel que los protocolos de criptografía clásica no pueden alcanzar.
Según Bajoni y sus colegas, estos protocolos ya se han demostrado y probado. Lo que ha faltado es una fuente barata, pequeña y fiable de fotones entrelazados capaces de propagarlos en redes de fibra óptica, un problema que se ha resuelto, aparentemente, con su innovación.
Para que estas nuevas tecnologías lleguen a buen término, sin embargo, hace falta una nueva clase de emisores de fotones entrelazados: aquellos que se puedan incorporar fácilmente a tecnologías de chips de silicio existentes. Lograr este objetivo ha sido muy difícil.
Hasta la fecha, los emisores de fotones entrelazados -que están hechos principalmente de cristales especialmente diseñados- podían reducirse a un tamaño de unos pocos milímetros, lo cual sigue siendo en muchos órdenes de magnitud demasiado grande para las aplicaciones en-chip.
Además, estos emisores requieren una gran cantidad de energía, que es un bien valioso en las telecomunicaciones y la informática.Para superar estos desafíos, los investigadores exploraron el potencial de resonadores en anillo como una nueva fuente de fotones entrelazados. Estos componentes optoelectrónicos bien establecidos pueden ser grabados fácilmente sobre una oblea de silicio de la misma manera que otros componentes de chips semiconductores.
Para alimentar el resonador, se dirige un haz láser a lo largo de una fibra óptica hacia la entrada de la muestra, y luego se acopla al resonador, donde los fotones corren alrededor del anillo. Esto crea un ambiente ideal para que los fotones se mezclen y se entrelacen.
A medida que los fotones salían del resonador, los investigadores eran capaces de observar que un notable alto porcentaje de ellos exhibía características que traslucían entrelazamiento.
"Nuestro dispositivo es capaz de emitir luz con sorprendentes propiedades de mecánica cuántica nunca antes observadas en una fuente integrada", explica Bajoni. "La velocidad a la que se generan los fotones entrelazados no tiene precedentes para una fuente de silicio integrada, y es comparable con la que se obtiene a partir de cristales en bruto que deben ser bombeados con láseres muy fuertes."
Aplicaciones y tecnología futura
Los investigadores creen que su trabajo es particularmente relevante porque demuestra, por primera vez, un efecto cuántico por excelencia, el entrelazamiento, en una tecnología bien establecida.
"En los últimos años, los dispositivos integrados de silicio han sido desarrollados para filtrar y enrutar luz, principalmente para aplicaciones de telecomunicaciones", observa Bajoni. "Nuestros resonadores de micro-anillo se pueden utilizar fácilmente junto a estos dispositivos, lo que nos acerca hacia la capacidad de aprovechar plenamente el entrelazamiento en un chip."
Como resultado de ello, esta investigación podría facilitar la adopción de tecnologías de la información cuántica, en particular los protocolos de criptografía cuántica, que garantizarían las comunicaciones seguras a un nivel que los protocolos de criptografía clásica no pueden alcanzar.
Según Bajoni y sus colegas, estos protocolos ya se han demostrado y probado. Lo que ha faltado es una fuente barata, pequeña y fiable de fotones entrelazados capaces de propagarlos en redes de fibra óptica, un problema que se ha resuelto, aparentemente, con su innovación.
Referencia bibliográfica:
Davide Grassani, Stefano Azzini, Marco Liscidini, Matteo Galli, Michael J. Strain, Marc Sorel, J. E. Sipe, Daniele Bajoni. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica (2015). DOI: 10.1364/OPTICA.2.000088
Davide Grassani, Stefano Azzini, Marco Liscidini, Matteo Galli, Michael J. Strain, Marc Sorel, J. E. Sipe, Daniele Bajoni. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica (2015). DOI: 10.1364/OPTICA.2.000088
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