El almacenamiento de información cuántica es esencial para el futuro tanto de la computación cuántica como de la Internet cuántica global. Los sistemas de comunicación cuánticos actuales luchan contra la pérdida de señal en largas distancias, lo que limita la distancia que puede viajar la información cuántica. Las memorias cuánticas ayudan a resolver este problema al hacer posibles los repetidores cuánticos, lo que permite que la información salte a través de una red mediante intercambio de entrelazamientos en lugar de desvanecimiento.
Se ha publicado un nuevo estudio. Iluminación: ciencia y aplicaciones Informó un gran progreso en esta área. Investigadores de la Humboldt-Universität zu Berlin, el Instituto Leibniz de Tecnología Fotónica y la Universidad de Stuttgart han introducido un nuevo tipo de memoria cuántica hecha a partir de estructuras nanoimpresas en 3D conocidas como “jaulas de luz” llenas de vapor atómico. Combinando luz y átomos en un solo chip, el equipo ha creado una plataforma diseñada para la escalabilidad y la perfecta integración en sistemas fotónicos cuánticos.
¿Qué hace que las jaulas luminosas sean diferentes?
Las jaulas de luz son guías de ondas de núcleo hueco diseñadas para guiar firmemente la luz y aún permitir el acceso al espacio interior. Este diseño ofrece una ventaja clave sobre las fibras de núcleo hueco convencionales, que pueden tardar meses en llenarse de vapor nuclear. Por el contrario, la estructura abierta de las jaulas de luz permite que los átomos de cesio se difundan en el núcleo más rápidamente, acortando el proceso de llenado a sólo unos pocos días sin sacrificar el rendimiento óptico.
Las estructuras se fabricaron mediante litografía de polimerización de dos fotones con un sistema de impresión 3D comercial. Este método permite a los investigadores imprimir directamente guías de ondas de núcleo hueco complejas en chips de silicio con una precisión extremadamente alta. Para proteger los dispositivos de reacciones químicas con el cesio, las guías de ondas están recubiertas con una capa protectora. Las pruebas no mostraron signos de degradación incluso después de cinco años de funcionamiento, lo que destaca la estabilidad a largo plazo del sistema.
“Hemos creado una estructura guía que permite la rápida difusión de gases y líquidos dentro de su núcleo con la versatilidad y reproducibilidad proporcionada por el proceso de nanoimpresión 3D. Esto permite una verdadera escalabilidad de esta plataforma, no solo para la fabricación de guías de ondas dentro del chip sino también entre chips, lo que explica el mismo rendimiento con múltiples grupos de investigación.
Convirtiendo la luz en información cuántica almacenada
Dentro de la jaula de luz, los pulsos de luz entrantes se convierten eficientemente en excitaciones colectivas de los átomos vecinos. Después de un tiempo de almacenamiento seleccionado, un láser de control invierte este proceso y libera la luz almacenada exactamente cuando es necesario. En una demostración clave, los investigadores almacenaron con éxito pulsos de luz muy débiles que contenían sólo unos pocos fotones durante unos cientos de nanosegundos. Creen que este método podría eventualmente ampliarse para almacenar fotones individuales durante muchos milisegundos.
Otro hito importante fue la integración de múltiples memorias de jaulas de luz en un único chip colocado dentro de una celda de vapor de cesio. Las mediciones muestran que diferentes jaulas de luz del mismo diseño proporcionan un rendimiento de almacenamiento casi idéntico en dos dispositivos separados en el mismo chip. Este nivel de continuidad es esencial para construir sistemas cuánticos escalables.
La gran reproducibilidad proviene de la precisión del proceso de nanoimpresión 3D. Las diferencias entre un solo chip se mantuvieron por debajo de los 2 nanómetros, mientras que las diferencias entre chips se mantuvieron por debajo de los 15 nanómetros. Un control tan estricto es importante para la multiplexación espacial, una técnica que puede aumentar drásticamente la cantidad de memorias cuánticas que trabajan juntas en un dispositivo.
Implicaciones para las redes cuánticas y la informática
Las memorias cuánticas de jaula de luz abordan varios desafíos de larga data en la tecnología cuántica. En las redes de repetidores cuánticos, pueden sincronizar múltiples fotones individuales al mismo tiempo, lo que aumenta en gran medida la eficiencia de la comunicación cuántica a larga distancia. En la computación cuántica fotónica, las memorias proporcionan el retraso controlado necesario para la operación de avance en los sistemas de computación cuántica basados en mediciones.
La plataforma también destaca por su practicidad. A diferencia de muchas tecnologías de la competencia, funciona ligeramente por encima de la temperatura ambiente y no requiere enfriamiento criogénico ni configuraciones complejas para atrapar átomos. Esto hace que el sistema sea fácil de implementar y al mismo tiempo ofrece un gran ancho de banda por modo de memoria. La capacidad de crear muchas memorias cuánticas idénticas en un solo chip abre un camino claro hacia la integración fotónica cuántica a gran escala.
Gracias a su proceso de fabricación flexible, la tecnología puede integrarse potencialmente con el acoplamiento directo de fibras y los componentes fotónicos existentes. Estas ventajas posicionan a las memorias cuánticas de jaula de luz como un fuerte candidato para la futura infraestructura de comunicación cuántica.
Un camino escalable hacia adelante
El desarrollo de memorias cuánticas de jaulas de luz marca un importante paso adelante en la investigación fotónica cuántica. Combinando la nanoimpresión 3D avanzada con principios básicos de la óptica cuántica, los investigadores han creado un sistema compacto y escalable que podría acelerar la llegada de redes cuánticas prácticas y computadoras cuánticas más potentes.
