Una matriz de fuentes de fotones individuales a pedido integradas de manera determinista con fotónica basada en silicio, creada mediante la integración híbrida de materiales 2D con resonadores de nitruro de silicio. Crédito: Moody Lab, UCSB
Moody Lab ha creado un nuevo enfoque para generar fotones individuales en un chip.
El rumor sobre el futuro de la tecnología cuántica continúa creciendo a medida que los investigadores se esfuerzan por aprovechar el potencial de las partículas cuánticas superpuestas, entrelazadas y tuneladas. Estas partículas tienen la capacidad única de existir en dos estados simultáneamente, lo que puede aumentar considerablemente la potencia y la eficiencia en muchas aplicaciones.
Según Kamyar Parto, Ph.D. estudiante de UC Santa Barbara y coautor principal de un artículo publicado en Nano Letters, el estado actual de los dispositivos cuánticos es «más o menos donde estaba la computadora en la década de 1950» o al principio de su desarrollo. Parto trabaja en el laboratorio de Galan Moody, un reconocido experto en fotónica cuántica y profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática. El documento detalla un avance significativo en el campo: la creación de una «fábrica» en el chip para generar un flujo constante y rápido de fotones individuales, que son cruciales para el avance de las tecnologías cuánticas basadas en la fotónica.
Parto explicó que en las primeras etapas del desarrollo de la computadora, “los investigadores acababan de terminar de hacer el transistor y tenían ideas sobre cómo hacer un interruptor digital, pero la plataforma era un poco débil. Diferentes grupos desarrollaron diferentes plataformas y finalmente todas convergieron en CMOS (semiconductor de óxido de metal complementario). Luego tuvimos el gran auge de los semiconductores.
“La tecnología cuántica se encuentra en un lugar similar: tenemos la idea y una idea de lo que podríamos hacer con ella, y hay muchas plataformas competidoras, pero todavía no hay un ganador claro”, continuó. “Tienes qubits superconductores, qubits de espín de silicio, qubits de espín electrostático y computadoras cuánticas basadas en trampas de iones. Microsoft está tratando de crear qubits topológicamente protegidos, y en Moody Lab estamos trabajando en fotónica cuántica”.
Parto predice que la plataforma ganadora será una combinación de diferentes plataformas, ya que cada una es poderosa pero también tiene limitaciones. “Por ejemplo, es muy fácil transferir información usando fotónica cuántica, porque a la luz le gusta moverse”, dijo. “Sin embargo, un qubit giratorio facilita el almacenamiento de información y hace algunas ‘cosas’ locales en él, pero no puede mover esos datos. Entonces, ¿por qué no intentamos usar la fotónica para transferir los datos desde la plataforma que los almacena mejor y luego los transformamos nuevamente a otro formato una vez que están allí?
Los qubits, esos impulsores de comportamientos extraños en las tecnologías cuánticas, son obviamente diferentes de los bits clásicos, que solo pueden existir en un único estado de cero o uno. Los Qubits pueden ser uno y cero simultáneamente. En el ámbito de la fotónica, dijo Parto, se puede hacer que un solo fotón exista (estado uno) o que no exista (estado cero).
Esto se debe a que un solo fotón constituye lo que se denomina un sistema de dos niveles, lo que significa que puede existir en un estado cero, un estado o cualquier combinación, como 50 % uno y 50 % cero, o quizás 80 % uno y 20 % cero. . Esto se puede hacer de forma rutinaria en el grupo Moody. El desafío es generar y recolectar fotones individuales con una eficiencia muy alta, por ejemplo, enrutándolos en un chip usando guías de ondas. Las guías de ondas hacen exactamente lo que sugiere su nombre, guiando la luz hacia donde debe ir, al igual que los cables guían la electricidad.
Parto explicó: «Si colocamos esos fotones individuales en muchas guías de ondas diferentes, mil fotones individuales en cada guía de ondas, y hacemos una especie de coreografía de cómo los fotones viajan a lo largo de las guías de ondas en el chip, podemos hacer computación cuántica».
Si bien es relativamente simple usar guías de ondas para dirigir fotones al chip, aislar un solo fotón no es fácil, y configurar un sistema que produzca miles de millones de ellos de manera rápida y eficiente es mucho más difícil. El nuevo artículo describe una técnica que emplea un fenómeno peculiar para generar fotones individuales con una eficiencia mucho mayor que la lograda anteriormente.
“El trabajo es expandir la generación de estos fotones individuales para que sean útiles para aplicaciones reales”, dijo Parto. «El avance descrito en este documento es que ahora podemos generar de manera confiable los fotones individuales a temperatura ambiente de una manera que se presta al CMOS[proceso de producción en masa]».
Hay varias formas de generar fotones individuales, pero Parto y sus colegas están haciendo esto usando defectos en ciertos materiales semiconductores bidimensionales (2D), que tienen solo un átomo de espesor, esencialmente eliminando parte del material para crear un defecto.
«Si haces brillar una luz (generada por un láser) sobre el tipo correcto de defecto, el material responderá emitiendo fotones individuales», dijo Parto, y agregó: «El defecto en el material actúa como lo que se denomina un estado de límite de velocidad, que permite que se comporte como una fábrica de fotones individuales, uno a la vez”. Se puede producir un fotón cada tres a cinco nanosegundos, pero los investigadores aún no están seguros de la tasa, y Parto, quien obtuvo su Ph.D. sobre el tema de la ingeniería de tales defectos, dice que el ritmo actual podría ser mucho más lento.
Una gran ventaja de los materiales 2D es que se prestan a que los defectos se proyecten en ubicaciones específicas. Además, Parto dijo: “Los materiales son tan delgados que puede tomarlos y colocarlos sobre cualquier otro material sin estar limitado por la geometría de la red de un material de cristal 3D. Esto hace que el material 2D sea muy fácil de integrar, una capacidad que mostramos en este artículo”.
Para hacer un dispositivo útil, el defecto en el material 2D debe colocarse en las guías de ondas con extrema precisión. “Hay un punto en el material que produce luz a partir de un defecto”, señaló Parto, “y debemos colocar ese único fotón en una guía de ondas”.
Los investigadores intentan hacer esto de dos maneras, por ejemplo, colocando el material en la guía de ondas y buscando un solo defecto existente, pero incluso si el defecto está alineado con precisión y en la posición exacta, la eficiencia de extracción será solo del 20% para 30% Esto se debe a que el único defecto solo puede emitir a una velocidad específica y parte de la luz se emite en ángulos oblicuos en lugar de directamente a lo largo del camino hacia la guía de ondas. El límite superior teórico de este diseño es solo del 40 %, pero hacer que un dispositivo sea útil para aplicaciones de información cuántica requiere una eficiencia de extracción del 99,99 %.
“La luz de un defecto brilla inherentemente en todas partes, pero preferimos que brille en estas guías de ondas”, explicó Parto. “Tenemos dos opciones. Si coloca guías de ondas sobre el defecto, tal vez entre el diez y el quince por ciento de la luz vaya a las guías de ondas. Esto no es suficiente. Pero hay un fenómeno físico llamado efecto Purcell que podemos usar para aumentar esta eficiencia y dirigir más luz a la guía de ondas. Para ello, coloque el defecto dentro de una cavidad óptica; en nuestro caso, tiene la forma de un resonador de microanillo, que es una de las únicas cavidades que le permite acoplar luz dentro y fuera de una guía de ondas.
“Si la cavidad es lo suficientemente pequeña”, agregó, “exprimirá las fluctuaciones de vacío del campo electromagnético, y estas fluctuaciones son las que hacen que el defecto emita fotones espontáneamente en un modo de luz. Al comprimir esta fluctuación cuántica en una cavidad de volumen finito, la fluctuación sobre el defecto aumenta, lo que hace que emita luz preferentemente hacia el anillo, donde se acelera y se vuelve más brillante, lo que aumenta la eficiencia de extracción”.
En los experimentos con el resonador de microanillo que se realizaron para este documento, el equipo logró una eficiencia de extracción del 46 %, lo que representa un aumento de orden de magnitud con respecto a informes anteriores.
“Estos resultados nos alientan mucho porque los emisores de fotones individuales en materiales 2D abordan algunos de los desafíos sobresalientes que enfrentan otros materiales en términos de escalabilidad y capacidad de fabricación”, dijo Moody. «A corto plazo, exploraremos su uso para algunas aplicaciones diferentes en las comunicaciones cuánticas, pero a más largo plazo, nuestro objetivo es continuar desarrollando esta plataforma para redes y computación cuánticas».
Para ello, el grupo necesita mejorar su eficiencia por encima del 99 %, y lograrlo requerirá anillos resonadores de nitruro de mayor calidad. “Para aumentar la eficiencia, es necesario suavizar el anillo al tallarlo en la película de nitruro de silicio”, explicó Parto. “Sin embargo, si el material en sí no es completamente cristalino, incluso si intenta suavizarlo hasta el nivel atómico, las superficies aún pueden verse ásperas y esponjosas, lo que hace que la luz se disperse”.
Si bien algunos grupos obtienen el nitruro de la más alta calidad comprándolo de empresas que lo cultivan a la perfección, Parto explicó: “Tenemos que cultivarlo nosotros mismos, porque tenemos que poner el defecto debajo del material y también estamos usando un tipo de material especial de silicio. nitruro que minimiza la luz de fondo para aplicaciones de un solo fotón, y las empresas no hacen eso”.
Parto puede hacer crecer sus nitruros en un horno de deposición de vapor químico mejorado con plasma en la sala limpia de UCSB, pero debido a que es una instalación compartida muy utilizada, no puede personalizar algunas configuraciones que le permitirían cultivar material de calidad suficiente. El plan, dice, es utilizar esos resultados para solicitar nuevas subvenciones que permitan “obtener nuestras propias herramientas y contratar estudiantes para hacer este trabajo”.
Referencia: «Emisores cuánticos de material 2D mejorados con cavidad integrados de forma determinista con microrresonadores de nitruro de silicio» por K. Parto, SI Azzam, N. Lewis, SD Patel, S. Umezawa, K. Watanabe, T. Taniguchi y G. Moody, 1 Noviembre 2022, Nano Letras.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03151
