Los físicos diseñan interruptores cuánticos que pueden activarse mediante fotones individuales

Los investigadores de Harvard han logró crear interruptores cuánticos que se puede activar y desactivar mediante un solo fotón, un logro tecnológico que podría allanar el camino para la creación de redes cuánticas altamente seguras.

 

Construidos a partir de átomos individuales, los primeros conmutadores de su tipo podrían algún día conectarse en red a través de cables de fibra óptica para formar la columna vertebral de una "Internet cuántica" que permita comunicaciones perfectamente seguras, dijo el profesor de Física Mikhail Lukin, quien dirigió un estudio. equipo formado por el estudiante graduado Jeff Thompson y el becario postdoctoral Tobias Tiecke para construir el nuevo sistema. Su investigación se detalla en un artículo publicado recientemente en Naturaleza.

"Desde un punto de vista técnico, es un logro notable", dijo Lukin sobre el nuevo avance. “Conceptualmente, la idea es muy simple: llevar el interruptor de luz convencional al límite. Lo que hemos hecho aquí es usar un solo átomo como un interruptor que, dependiendo de su estado, puede abrir o cerrar el flujo de fotones... y puede "encenderse" y "apagarse" usando un solo fotón".

Aunque los interruptores podrían usarse para construir una computadora cuántica, Lukin dijo que es poco probable que la tecnología aparezca en una computadora de escritorio promedio.

Donde se utilizarán, dijo, es en la creación de redes de fibra óptica que utilicen criptografía cuántica, un método para cifrar las comunicaciones utilizando las leyes de la mecánica cuántica para permitir una comunicación perfectamente segura. Estos sistemas hacen imposible interceptar y leer los mensajes enviados a través de la red, porque el mismo acto de medir un objeto cuántico lo cambia, dejando tras de sí señales reveladoras del espionaje.

"Es poco probable que todo el mundo necesite este tipo de tecnología", afirmó. “Pero hay algunas aplicaciones realistas que algún día podrían tener un impacto transformador en nuestra sociedad. Actualmente, estamos limitados a utilizar la criptografía cuántica en distancias relativamente cortas: decenas de kilómetros. Basándonos en el nuevo avance, es posible que con el tiempo podamos ampliar el alcance de la criptografía cuántica a miles de kilómetros”.

Lo más importante, afirmó Tiecke, es que su sistema es altamente escalable y algún día podría permitir la fabricación de miles de conmutadores de este tipo en un solo dispositivo.

"Lo que realmente hemos hecho es tomar ideas que la gente ha estado explorando, y todavía están explorando, en sistemas macroscópicos donde la luz rebota hacia adelante y hacia atrás en espejos de dos centímetros para interactuar con un átomo; lo tomamos y lo reducimos. Bájelo”, dijo Thompson. “Durante dos décadas, los investigadores han estado trabajando para acoplar dos o tres de estos sistemas macroscópicos y crear una red simple, pero para nosotros es muy fácil crear tres o cuatro, o 10.000 de estos circuitos ópticos. Lo que el presente artículo muestra es, al menos tecnológicamente, el camino a seguir”.

Lukin cree que esa es una manera de que los sistemas cuánticos realicen la misma transición que hicieron las computadoras convencionales hace décadas: de los tubos de vacío a los circuitos integrados.

"Las computadoras convencionales se construyeron inicialmente usando tubos de vacío, y eventualmente la gente desarrolló circuitos integrados utilizados en las computadoras modernas", dijo. “En la situación actual de los sistemas cuánticos, los mejores sistemas siguen siendo análogos a los tubos de vacío: normalmente utilizan cámaras de vacío para aislar y retener átomos individuales mediante campos electromagnéticos.

"Pero está muy claro que si queremos ampliar estos sistemas, tenemos que pensar en utilizar circuitos integrados", continuó. “Lo que han hecho Jeff y Tobias es crear un sistema híbrido. Tomamos átomos en cámaras de vacío y los combinamos con circuitos integrados”.

Aunque se fabrican de manera similar a como se fabrican los chips de computadora tradicionales, el circuitos integrados construidos por Thompson y Tiecke no funcionan con electricidad, sino con luz.

Los chips utilizan tecnología nanofotónica (esencialmente la capacidad de crear "cableado" que puede canalizar y controlar el camino de la luz) para construir circuitos ópticos que luego pueden conectarse a cables de fibra óptica.

Después de colocar el circuitos ópticos En una cámara de vacío, los investigadores utilizaron “pinzas ópticas” (láseres enfocados con precisión) para capturar un solo átomo y enfriarlo a una fracción por encima de la temperatura del cero absoluto. Luego mueven el átomo a unos pocos cientos de nanómetros del chip.

Sin embargo, no basta con unir ambas partes.

Para crear interruptores cuánticos que algún día puedan estar en el corazón de redes cuánticas, bombardean el átomo con microondas y láseres, lo que hace que entre en un estado de superposición cuántica, lo que significa que puede ocupar múltiples estados cuánticos, correspondientes a los estados "encendido" y "apagado" del interruptor, a la vez.

"Para que esto funcione, el interruptor atómico debe estar preparado en este estado de superposición especial", explicó Lukin. “Este estado de superposición es extremadamente frágil, tan frágil que cuando un solo fotón lo golpea, en realidad cambia de fase. Ese cambio de fase es lo que le permite actuar como una válvula y encenderse o apagarse”.

Si bien es poco probable que los interruptores se conviertan en equipo estándar para computadoras personales, Lukin dijo que podrían aparecer en prototipos de redes cuánticas en tan solo una década.

"Hay otros sistemas que son más sofisticados en términos de construir una computadora cuántica", dijo Thompson. "Pero la ventaja clave de lo que se demuestra en este artículo es que el interruptor de un solo átomo está muy estrechamente acoplado a la luz, y específicamente a la luz en fibras ópticas".