Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

La electrónica se queda pequeña para las necesidades computacionales del mañana y nuevas “-ónicas” proliferan por doquier (espintrónica, fonónica, plasmónica, fotónica) haciendo uso de las características cuánticas de los sólidos. Una cosa parece evidente, el futuro es de las tecnologías cuánticas aún más que hoy día.

Las tecnologías cuánticas fotónicas son, posiblemente, las más fáciles de entender en cuanto a los dispositivos que las componen. Requieren fuentes de luz que emitan un único fotón, esto es, una partícula que es el cuanto (la unidad de cuenta) de la radiación electromagnética, cuando se les solicite.

Hay tres requisitos adicionales que deben cumplir las fuentes para que puedan usarse en aplicaciones comerciales: pureza (las fuentes deben emitir un fotón, y solo uno, a la vez): indistinguibilidad (todos los fotones que emita la fuente deben ser idénticos en todo: frecuencia, polarización, etc.); y eficiencia. Estas tres características nunca se han conseguido a la vez en una fuente. Hasta ahora.

Xing Ding, que trabaja en el consorcio entre la Academia de Ciencias China y el gigante del comercio electrónico Alibaba para el desarrollo de la computación cuántica, encabezando un equipo de investigadores internacional, acaba de hacer público un dispositivo emisor de fotones únicos basado en un punto cuántico que cumple con los tres requisitos.

Un punto cuántico es una estructura cristalina de tamaño nanométrico hecha a partir de materiales superconductores. En un punto cuántico los electrones se ven confinados en una región del espacio, lo que crea una estructura de niveles de energía bien definida que depende en gran medida del tamaño y la forma del punto cuántico. Esta estructura se parece a la de los átomos, por lo que algunas veces a los puntos cuánticos se les llama átomos artificiales.

El dispositivo usa pulsos láser para excitar las resonancias electrónicas del punto cuántico, lo que consigue emitir fotones únicos con frecuencia en el infrarrojo. En un ensayo previo usando una arquitectura basada en punto cuántico la eficiencia fue de tan solo el 6%; en la de Ding et al. la eficiencia alcanza el 66%.

En el nuevo dispositivo los investigadores integran el punto cuántico en una cavidad de una micro-columna, cuya resonancia se corresponde con la del punto cuántico, con lo que se mejora la velocidad de emisión. En ensayos experimentales se midieron 3,7 millones de fotones únicos e indistinguibles por segundo.

Esta forma de construir el dispositivo podría ser la base de una máquina de “muestreo bosónico” (el fotón es un tipo de bosón), una especie de ordenador analógico que es capaz de realizar sus cálculos usando las propiedades mismas de los bosones, fotones en este caso. Una máquina de este tipo, sin embargo, puede resolver ciertas tareas mucho más rápido que un ordenador clásico. Los autores indican que usando tan solo unas pocas decenas de fotones únicos una máquina de muestreo bosónico sería más eficiente que el mejor ordenador personal del mercado. ¿Qué podría hacer con 3,7 millones?

Referencia:

Xing Ding et al (2016) On-Demand Single Photons with High Extraction Efficiency and Near-Unity Indistinguishability from a Resonantly Driven Quantum Dot in a Micropillar Physical Review Letters DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.020401

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance