En el mundo cuántico, hacia atrás no es lo mismo que hacia adelante

La tecnología cuántica basada en luz (fotones) tiene un gran potencial para la tecnología de la información radicalmente nueva basada en circuitos fotónicos.

Hasta ahora, los fotones en circuitos fotónicos cuánticos se han comportado de la misma manera tanto si se movían hacia adelante como hacia atrás en un canal fotónico. Esto ha limitado la capacidad de controlar los fotones y por lo tanto de construir circuitos complejos para los ordenadores cuánticos fotónicos.

Ahora investigadores del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague (Dinamarca) han descubierto un nuevo tipo de canales fotónicos, en el que atrás y adelante no son distancias iguales. Este sistema era un componente que faltaba para la construcción de circuitos fotónicos cuánticos a gran escala. Los resultados se publican en la revista científica Nature Nanotechnology.

"El componente más pequeño de la luz es el fotón y los fotones son muy adecuados para llevar información. Un circuito cuántico basado en fotones podría contener mucha más información que lo que es posible con la tecnología informática actual y además la información no puede ser interceptada en el camino. Así que estamos trabajando para dar forma a la futura tecnología cuántica basada en la fotónica", explica Peter Lodahl, profesor y jefe del Grupo de Investigación en Fotónica Cuántica del Instituto Niels Bohr, en la nota de prensa de éste.

Chips fotónicos

Los investigadores han desarrollado un chip fotónico, en el que está incrustada una fuente de luz -un punto cuántico-. Emitiendo luz sobre el punto cuántico utilizando un láser, sus electrones se excitan, saltan de una órbita a otra y por lo tanto emiten un único fotón cada vez.

La luz normalmente se emite en todas las direcciones, pero el chip fotónico se construye de manera que todos los fotones son enviados a través de un canal fotónico. Hasta ahora, todo bien. Pero el problema es que los fotones se envían en ambos sentidos por el canal fotónico y esto limita la eficiencia de la fuente de luz. Este es un problema que crece cuanto más grande y complejo se vuelve el circuito.

"En nuestro trabajo para resolver el problema, hemos desarrollado un nuevo canal fotónico en el que podemos controlar los fotones para que sólo se envíen en un sentido. Es un nuevo descubrimiento fundamental", explica Lodahl.

Controlar el sentido

Immo Söllner y Sahand Mahmoodian, dos investigadores postdoctorales del Grupo de Investigación en Fotónica Cuántica, han trabajado con la teoría y los experimentos. Explican que utilizan luz láser para excitar los electrones del punto cuántico, que saltan de una órbita a otra y por lo tanto emiten un solo fotón.

Al controlar el espín de los electrones con un campo magnético, se puede obtener una emisión de luz totalmente diferente. Un fotón emitido desde un punto cuántico con un electrón "con spin hacia abajo" elige un sentido, mientras que el fotón emitido de un punto cuántico con un electrón "con spin hacia arriba" elige la dirección opuesta.

Lo más emocionante de los nuevos canales de fotones quizás no es siquiera incluso que la dirección de la emisión de luz dependa del spin de los puntos cuánticos. También resulta que un fotón que entra desde un extremo del canal se comporta de manera diferente que un fotón que entra desde el otro extremo.

Cuando los fotones se mueven en uno de los sentidos interactúan con el punto cuántico y esto ralentiza un poco al fotón, como si el fotón hubiera viajado un poco más lejos. En este sistema, adelante y atrás, por lo tanto ¡no son iguales distancias! Y las distancias desiguales no carecen de importancia, al contrario, son extremadamente importantes.

"El fotón se retrasa un poco, ya que interactúa con el punto cuántico. Ahora tenemos una serie de nuevas oportunidades para controlar y diseñar la interacción entre un fotón y un punto cuántico, que es importante para el desarrollo de ordenadores cuánticos", explican Söllner y Mahmoodian.

Fuentes de luz

Søren Stobbe, que es profesor asociado del grupo de Cuántica Fotónica en el Instituto Niels Bohr, ha dirigido la producción de las nuevas fuentes de luz, en colaboración con el grupo de investigación del profesor Jin Dong Song, del Instituto Coreano de Tecnología, y añade que la nueva tecnología tiene la gran ventaja de que se basa en los mismos materiales semiconductores conocidos de la industria informática. Esto significa que el camino del laboratorio a la aplicación es el más corto posible, aunque los propios investigadores estiman que se requerirá una inversión significativa.

"Podemos controlar el estado del punto cuántico y de ese modo determinar la dirección en la que el fotón es emitido y si la luz, que se mueve en una dirección o la otra, debe ser retardada. Esta es una nueva funcionalidad que tendrá algunas ventajas prácticas cuando empezamos la construcción de redes cuánticas, que se espera que tengan un gran potencial para el cálculo de problemas difíciles en química y tecnología de materiales. Por lo tanto, hemos patentado nuestro descubrimiento y estamos trabajando hacia la comercialización", dice Lodahl.

Referencia bibliográfica:

Immo Söllner, Sahand Mahmoodian, Sofie Lindskov Hansen, Leonardo Midolo, Alisa Javadi, Gabija Kiršanskė, Tommaso Pregnolato, Haitham El-Ella, Eun Hye Lee, Jin Dong Song, Søren Stobbe, Peter Lodahl: Deterministic photon–emitter coupling in chiral photonic circuits. Nature Nanotechnology (2015). DOI: 10.1038/nnano.2015.159.