Ilustración del 'router' fotónico creado por los científicos del Instituto Weitzmann. El átomo está en el medio, y las líneas amarillas son los fotones. Fuente: Instituto Weitzmann de Ciencia.
Científicos del Instituto Weizmann (Revohot, Israel) han mostrado por primera vez el funcionamiento de un enrutador fotónico, un dispositivo cuántico basado en un solo átomo que permite el enrutamiento de fotones individuales por parte de otros fotones individuales. Este logro, según se informa en la revista Science, es un paso más hacia la superación de las dificultades en la construcción de ordenadores cuánticos.
En el núcleo del dispositivo hay un átomo que puede cambiar entre dos estados. El estado se establece con enviar una sola partícula de la luz - o fotón- desde la derecha o la izquierda a través de una fibra óptica. El átomo, en respuesta, refleja o transmite el siguiente fotón incidente, de forma acorde.
Por ejemplo, en un estado, un fotón procedente de la derecha continúa en su camino a la izquierda, mientras que un fotón procedente de la izquierda se refleja hacia atrás, haciendo que el estado atómico se dé la vuelta. En este estado invertido, el átomo permite que los fotones procedentes de la izquierda continúen en la misma dirección, mientras que cualquier fotón procedente de la derecha se refleja hacia atrás, dando la vuelta al estado atómico de nuevo. Este interruptor basado en un átomo está exclusivamente operado por fotones individuales: no se requieren campos externos adicionales.
"En cierto sentido, el dispositivo actúa como el equivalente fotónico a los transistores electrónicos, que conmutan las corrientes eléctricas en respuesta a otras corrientes eléctricas", explica en la nota de prensa del Instituto Weizmann Barak Dayan, jefe del grupo de Óptica Cuántica, al que pertenecen Itay Shomroni, Serge Rosenblum, Yulia Lovsky, Orel Bechler y Gabriel Guendleman, del Departamento de Química Física de la Facultad de Química. Los fotones son no sólo las unidades que componen el flujo de información, sino también los que controlan el dispositivo.
Este logro ha sido posible gracias a la combinación de dos tecnologías de última generación. Una es el enfriamiento y captura de átomos por láser. La otra es la fabricación de resonadores ópticos en miniatura de ultra-alta calidad basados en chips, que se acoplan directamente a las fibras ópticas. El laboratorio de Dayan en el Instituto Weizmann es uno de los pocos en el mundo que es una autoridad en estas dos tecnologías.
En el núcleo del dispositivo hay un átomo que puede cambiar entre dos estados. El estado se establece con enviar una sola partícula de la luz - o fotón- desde la derecha o la izquierda a través de una fibra óptica. El átomo, en respuesta, refleja o transmite el siguiente fotón incidente, de forma acorde.
Por ejemplo, en un estado, un fotón procedente de la derecha continúa en su camino a la izquierda, mientras que un fotón procedente de la izquierda se refleja hacia atrás, haciendo que el estado atómico se dé la vuelta. En este estado invertido, el átomo permite que los fotones procedentes de la izquierda continúen en la misma dirección, mientras que cualquier fotón procedente de la derecha se refleja hacia atrás, dando la vuelta al estado atómico de nuevo. Este interruptor basado en un átomo está exclusivamente operado por fotones individuales: no se requieren campos externos adicionales.
"En cierto sentido, el dispositivo actúa como el equivalente fotónico a los transistores electrónicos, que conmutan las corrientes eléctricas en respuesta a otras corrientes eléctricas", explica en la nota de prensa del Instituto Weizmann Barak Dayan, jefe del grupo de Óptica Cuántica, al que pertenecen Itay Shomroni, Serge Rosenblum, Yulia Lovsky, Orel Bechler y Gabriel Guendleman, del Departamento de Química Física de la Facultad de Química. Los fotones son no sólo las unidades que componen el flujo de información, sino también los que controlan el dispositivo.
Este logro ha sido posible gracias a la combinación de dos tecnologías de última generación. Una es el enfriamiento y captura de átomos por láser. La otra es la fabricación de resonadores ópticos en miniatura de ultra-alta calidad basados en chips, que se acoplan directamente a las fibras ópticas. El laboratorio de Dayan en el Instituto Weizmann es uno de los pocos en el mundo que es una autoridad en estas dos tecnologías.
Superposición cuántica
La principal motivación detrás del esfuerzo para desarrollar ordenadores cuánticos es el fenómeno cuántico de la superposición, en la que pueden existir partículas en muchos estados a la vez, por lo que se pueden procesar enormes cantidades de datos en paralelo.
Sin embargo, la superposición sólo puede durar mientras no se observa o se mide el sistema, de lo contrario, colapsa a un solo estado. Por lo tanto, los fotones son los candidatos más prometedores para la comunicación entre sistemas cuánticos, ya que no interactúan entre sí en absoluto, e interactúan muy débilmente con otras partículas.
Según dice Dayan, "el camino hacia la construcción de ordenadores cuánticos es todavía muy largo, pero el dispositivo que construimos es un sistema simple y robusto, que debería ser aplicable a cualquier arquitectura futura de tales equipos. En futuros experimentos, esperamos ampliar los tipos de dispositivos que funcionan únicamente con fotones, por ejemplo nuevos tipos de memoria cuántica o puertas lógicas".
La empresa Compass-EOS presentó hace un año chips que integran componentes electrónicos y ópticos, con los cuales fabrica routers de pequeño tamaño, coste y consumo, que pueden transmitir terabits de ancho de banda.
Otros experimentos de incorporación de la fotónica al proceso de fabricación de los microprocesadores han demostrado que podrán solventar de manera barata, y sin tener que rehacer las infraestructuras existentes, el problema de recalentamiento provocado por la cada vez mayor densidad de transistores de los aparatos electrónicos.
Las comunicaciones ópticas son más eficientes energéticamente que las comunicaciones por cables, y además transmiten mejor los datos.
La principal motivación detrás del esfuerzo para desarrollar ordenadores cuánticos es el fenómeno cuántico de la superposición, en la que pueden existir partículas en muchos estados a la vez, por lo que se pueden procesar enormes cantidades de datos en paralelo.
Sin embargo, la superposición sólo puede durar mientras no se observa o se mide el sistema, de lo contrario, colapsa a un solo estado. Por lo tanto, los fotones son los candidatos más prometedores para la comunicación entre sistemas cuánticos, ya que no interactúan entre sí en absoluto, e interactúan muy débilmente con otras partículas.
Según dice Dayan, "el camino hacia la construcción de ordenadores cuánticos es todavía muy largo, pero el dispositivo que construimos es un sistema simple y robusto, que debería ser aplicable a cualquier arquitectura futura de tales equipos. En futuros experimentos, esperamos ampliar los tipos de dispositivos que funcionan únicamente con fotones, por ejemplo nuevos tipos de memoria cuántica o puertas lógicas".
La empresa Compass-EOS presentó hace un año chips que integran componentes electrónicos y ópticos, con los cuales fabrica routers de pequeño tamaño, coste y consumo, que pueden transmitir terabits de ancho de banda.
Otros experimentos de incorporación de la fotónica al proceso de fabricación de los microprocesadores han demostrado que podrán solventar de manera barata, y sin tener que rehacer las infraestructuras existentes, el problema de recalentamiento provocado por la cada vez mayor densidad de transistores de los aparatos electrónicos.
Las comunicaciones ópticas son más eficientes energéticamente que las comunicaciones por cables, y además transmiten mejor los datos.
Referencia bibliográfica:
Itay Shomroni, Serge Rosenblum, Yulia Lovsky, Orel Bechler, Gabriel Guendelman, Barak Dayan: All-optical routing of single photons by a one-atom switch controlled by a single photon Science (2014). DOI: 10.1126/science.1254699.
Itay Shomroni, Serge Rosenblum, Yulia Lovsky, Orel Bechler, Gabriel Guendelman, Barak Dayan: All-optical routing of single photons by a one-atom switch controlled by a single photon Science (2014). DOI: 10.1126/science.1254699.