Plataforma de estado sólido para tecnologías cuánticas
Los fotones son candidatos atractivos para el procesamiento de información clásico y cuántico, donde se utilizan como portadores de información. No obstante, la generación y el encaminamiento eficaces de los fotones requieren desarrollar dispositivos ópticos que funcionen con cantidades reducidas de fotones y alcanzar el nivel de emisión de fotones aislados. La fuente ideal de fotones aislados debería generar pulsos de luz, cada uno de ellos con no más de un fotón. Además, todos los fotones serían idénticos en todos sus grados de libertad, como longitud de onda y polarización. Para desarrollar fuentes de electrones únicos casi óptimas, los investigadores tuvieron que superar numerosas dificultades científicas y tecnológicas. En un proyecto financiado por el Consejo Europeo de Investigación (CEI) denominado QD-CQED (A quantum dot in a cavity: A solid state platform for quantum operations) se diseñaron los primeros dispositivos optoelectrónicos hechos con puntos cuánticos ubicados con precisión en microcavidades controladas eléctricamente. Varios años de investigación permitieron obtener fuentes eficaces de fotones únicos prácticamente indistinguibles. El desafío de la perfección «Para los protocolos cuánticos avanzados se necesitan sistemas cuánticos aislados de su entorno y también es necesario minimizar los fenómenos de decoherencia», afirma la Dra. Pascale Senellart-Mardon, del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), principal investigadora de QD-CQED. Obviamente, este no era el caso de un emisor de fotones de estado sólido insertado en un entorno vibratorio y fluctuante, Además, para alcanzar el nivel de emisión de fotones aislados, los investigadores hubieron de acoplar un punto cuántico a una microcavidad y generar artificialmente un campo electromagnético en torno al emisor y obligarlo a emitir en un modo bien definido del campo óptico. «En el transcurso del proyecto, comprendimos progresivamente que se podían reducir tanto las cargas fluctuantes como los fonones, es decir, los efectos de las vibraciones sobre la excitación electrónica de la estructura sólida. Con este fin, confinamos el campo óptico espacial y temporalmente, mientras se aplicaba el campo eléctrico sobre el emisor», explica. A diferencia de las técnicas existentes, que implican cubrir la cavidad con un polímero, el equipo de QD-CQED conectó cavidades en forma de pilar de unas micras de diámetro con marcos mayores utilizando hilos unidimensionales. Esta configuración innovadora (ilustrada en la imagen) fue crucial para suprimir los efectos del estado sólido alrededor del emisor. «Pudimos demostrar que nuestro átomo artificial, los puntos cuánticos formados por miles de átomos insertados en una matriz en estado sólido, presenta propiedades ópticas similares a un único átomo natural en el vacío. Es importante destacar que nuestra implementación en estado sólido ofrece las ventajas de la integración y la escalabilidad», explica la Dra. Senellart-Mardon. Más allá de las expectativas La nueva tecnología de fuentes proporciona fotones únicos de alta calidad con un brillo superior en un orden de magnitud al de las fuentes existentes. Ha contribuido a aumentar la escala de las tareas de computación cuántica intermedia, como el llamado muestreo de bosones, que funciona de forma significativamente más rápida que la tecnología habitual de fuentes. Las posibilidades de la tecnología de QD-CQED se reflejan en el artículo publicado en Nature Photonics, que estuvo entre el 0,1 % de los artículos académicos sobre física más citados a lo largo de 2016. Para utilizar las fuentes se están estableciendo nuevas colaboraciones con investigadores de la comunidad de la óptica cuántica. Hasta la fecha, las fuentes se han utilizado para implementar un protocolo intermedio de computación óptica y demostrar las puertas con dos fotones. El equipo también ha demostrado que es posible controlar eficazmente un bit cuántico estacionario con pulsos de luz de tan solo unos pocos fotones. Como conclusión, la Dra. Senellart-Mardon explica que «en 2017 se creará una empresa derivada para permitir que una comunidad más amplia se beneficie de este avance». Detrás de esta iniciativa hay dos jóvenes investigadores cuya labor investigadora, hasta el momento, ha recibido el apoyo de QD-CQED. ¡El futuro de las tecnologías cuánticas ópticas es brillante!
Palabras clave
Tecnologías cuánticas, microcavidades ópticas, puntos cuánticos, fuente monofotónica, QD-CQED
