Los físicos han pasado más de un siglo midiendo y dando sentido a las extrañas formas en que interactúan los fotones, los electrones y otras partículas subatómicas en escalas extremadamente pequeñas. Los ingenieros han pasado décadas descubriendo cómo explotar estos fenómenos para crear nuevas tecnologías.
En uno de esos fenómenos, llamado entrelazamiento cuántico, pares de fotones se entrelazan de tal manera que el estado de un fotón cambia instantáneamente para coincidir con el estado de su fotón emparejado, sin importar cuántos se encuentren a distancia.
Hace unos 80 años, Albert Einstein llamó a este fenómeno “acción espeluznante a distancia”. Hoy en día, el entrelazamiento es objeto de programas de investigación en todo el mundo y se está convirtiendo en una forma favorita de implementar qubits, la forma más fundamental de información cuántica.
Actualmente, la forma más eficaz de crear pares de fotones requiere enviar ondas de luz a través de un cristal para que puedan verse sin microscopio. En un artículo publicado hoy en Nature Photonics, un equipo dirigido por investigadores y colaboradores de Columbia Engineering describe un nuevo método para crear pares de fotones que logran un alto rendimiento en un dispositivo muy pequeño y al mismo tiempo consumen menos energía. P. James Schick, profesor asociado de ingeniería mecánica en Columbia Engineering, ayudó a dirigir el equipo de investigación.
Los hallazgos representan un importante paso adelante en el campo de la óptica no lineal, que se ocupa del uso de tecnologías para modificar las propiedades de la luz para aplicaciones que incluyen láseres, telecomunicaciones y equipos de laboratorio.
“Este trabajo representa un objetivo largamente buscado de unir la óptica cuántica y no lineal macroscópica y microscópica”, dice Suk, quien codirige la Maestría en Ciencia y Tecnología Cuánticas de Columbia. “Esto proporciona la base para dispositivos integrables en chips escalables y altamente eficientes, como generadores de pares de fotones entrelazados microscópicos sintonizables”.
como funciona
Con un grosor de sólo 3,4 micrómetros, el nuevo dispositivo apunta a un futuro en el que este componente crítico de muchos sistemas cuánticos podría caber en un chip de silicio. Este cambio conducirá a mejoras significativas en la eficiencia energética y las capacidades tecnológicas generales de los dispositivos cuánticos.
Para crear el dispositivo, los investigadores utilizaron cristales delgados de un metal de transición semiconductor de Van der Waals llamado disulfuro de molibdeno. Luego apilaron seis de estas piezas de cristal, rotando cada pieza 180 grados hacia arriba y hacia abajo en relación con las losas de cristal. A medida que la luz pasa a través de esta pila, un fenómeno llamado coincidencia de cuasi fases manipula las propiedades de la luz, permitiendo la creación de fotones emparejados.
Este artículo representa la primera vez que se utiliza la coincidencia de casi fases en cualquier material de Van der Waals para generar pares de fotones en longitudes de onda útiles para las telecomunicaciones. Esta técnica es significativamente más eficiente que los métodos anteriores y el riesgo de error es muy bajo.
“Creemos que estos desarrollos establecerán los materiales de Van der Waals como la pieza central de las arquitecturas fotónicas cuánticas y no lineales de próxima generación, permitiendo que todas las tecnologías futuras en chips y los cristales polares a granel y periódicamente existentes sean candidatos ideales para el reemplazo”.
“Estas innovaciones tendrán un impacto inmediato en diversos campos, incluida la distribución por satélite y las comunicaciones cuánticas de teléfonos móviles”.
¿Cómo ha ocurrido?
Schuck y su equipo aprovecharon su trabajo anterior para desarrollar la nueva herramienta. En 2022, el grupo demostró que materiales como el disulfuro de molibdeno tenían propiedades útiles para la óptica no lineal, pero el rendimiento estaba limitado por la tendencia de las ondas de luz a interferir entre sí mientras viajaban a través del material.
Para combatir este problema, el equipo recurrió a una técnica de sondeo periódico, conocida como coincidencia de fases. Al cambiar la orientación de las losas en la pila, el dispositivo desvía la luz de una manera que permite la generación de pares de fotones en escalas de longitud pequeñas.
“Una vez que comprendimos lo asombroso que es este material, supimos que teníamos que buscar polarizaciones periódicas, lo que podría permitir una generación altamente eficiente de pares de fotones”, dice Schuck.
El trabajo se llevó a cabo dentro de Materiales Cuánticos Programables, un departamento del Centro de Investigación de la Frontera Energética (EFRC) en Columbia, como parte de un esfuerzo mayor para comprender y explotar los materiales cuánticos. Este trabajo fue posible gracias al apoyo de Basu, Deller y Dean Labs. La investigadora postdoctoral Chiara Trovatello dirigió el esfuerzo.
