Investigadores de la Universidad de Iowa han identificado una nueva forma de “purificar” fotones, un desarrollo que podría mejorar tanto el rendimiento como la seguridad de la tecnología cuántica basada en la luz. Al perfeccionar cómo se producen las partículas individuales de luz, el enfoque pretende superar las limitaciones de larga data de los sistemas cuánticos ópticos.
El equipo se centró en dos obstáculos importantes que dificultan la generación de un flujo fiable de fotones individuales, algo esencial para los ordenadores cuánticos fotónicos y las redes de comunicación seguras.
Un desafío se conoce como dispersión láser. Cuando un láser brilla sobre un átomo para desencadenar la liberación de un fotón, el proceso también puede producir fotones adicionales no deseados. Estas partículas adicionales actúan como interferencias en un circuito óptico, reduciendo el rendimiento de la misma manera que la corriente eléctrica parásita interrumpe un circuito convencional.
Un segundo problema surge de la forma en que a veces los átomos responden a la luz láser. En casos raros, un átomo emite varios fotones a la vez. Cuando esto sucede, el orden preciso requerido para la operación cuántica se rompe, ya que fotones adicionales interfieren con el flujo uno tras otro.
Usar ruido láser para cancelar la luz no deseada
En el nuevo estudio, Matthew Nelson, estudiante de posgrado del Departamento de Física y Astronomía, encontró una conexión inesperada entre estos dos problemas. Descubrió que cuando un átomo emite múltiples fotones, el espectro de longitud de onda y la forma de onda resultantes se asemejan mucho a los de la luz láser.
Según los investigadores, esta similitud significa que las dos señales pueden ajustarse cuidadosamente para anularse entre sí. En la práctica, la dispersión del láser que suele causar problemas se puede utilizar para suprimir la emisión de fotones no deseados.
“Hemos demostrado que la dispersión perdida del láser, normalmente considerada una molestia, puede usarse para cancelar emisiones multifotónicas no deseadas”, dijo Ravitej Uppu, profesor asistente en el Departamento de Física y Astronomía y autor correspondiente del estudio. “Este avance teórico podría convertir un problema de larga data en una nueva y poderosa herramienta para el avance de la tecnología cuántica”.
Por qué los fotones individuales son importantes para la computación cuántica
La computación fotónica se basa en la luz en lugar de la electricidad para realizar cálculos, lo que ofrece potencial para sistemas más rápidos y eficientes. Las computadoras convencionales funcionan usando bits: flujos de pulsos eléctricos u ópticos que representan unos o ceros. En cambio, las computadoras cuánticas utilizan qubits, que a menudo son partículas subatómicas como fotones.
Muchas empresas de tecnología emergente creen que las plataformas fotónicas desempeñarán un papel importante en el futuro de la computación cuántica. Un flujo estable y bien controlado de fotones individuales es fundamental para hacer realidad esa visión.
Un flujo de fotones ordenado es fácil de gestionar y escalar y mejora la seguridad. Los investigadores lo comparan con guiar a los estudiantes a través de la fila de una cafetería, uno a la vez, en lugar de dejarlos moverse como una multitud. De manera similar, una línea ordenada de un solo fotón reduce el riesgo de interceptación o escucha de datos.
Control de precisión para flujos de fotones más limpios
Uppu explica que el control cuidadoso del rayo láser es clave para el nuevo método. “Si podemos controlar exactamente cómo el rayo láser brilla sobre un átomo (el ángulo en el que viene, la forma del rayo, etc.), en realidad podemos cancelar todos los fotones adicionales que al átomo le gusta emitir”, dice. “Nos quedará una corriente que en realidad es muy pura”.
El trabajo muestra, teóricamente, que dos obstáculos importantes para los circuitos fotónicos rápidos pueden resolverse al mismo tiempo. Si se confirma experimentalmente, la tecnología podría ayudar a acelerar el desarrollo de computadoras cuánticas avanzadas y sistemas de comunicación más seguros. Los investigadores planean probar el concepto en experimentos futuros.
Detalles del estudio y financiación.
El estudio “Refinamiento de fuentes de fotón único asistido por ruido” se publicó en la revista Óptica cuántica.
La financiación de la investigación provino de la Oficina del Subsecretario de Defensa para Investigación e Ingeniería del Departamento de Defensa de Estados Unidos. Se proporcionó apoyo adicional mediante una subvención inicial de la Oficina del Vicepresidente de Investigación de la Universidad de Iowa a través del programa P3, que ayudó a lanzar el proyecto.
