El nuevo y revolucionario chip nanofotónico de Caltech ‘exprime’ más luz

Caltech ha desarrollado un nuevo chip fotónico que puede generar y medir estados cuánticos de luz de una manera que anteriormente solo era posible con equipos de laboratorio grandes y costosos. Crédito: Natasha Mutch y Nicolle R. Fuller, Sayo Studio

Las computadoras y las comunicaciones electrónicas han recorrido un largo camino desde los días de la radiotelegrafía y los tubos de vacío. De hecho, los dispositivos de consumo ahora incluyen niveles de potencia de procesamiento y memoria que habrían sido inimaginables hace solo unas décadas.

Pero a medida que los dispositivos de microcomputación y procesamiento de información se vuelven cada vez más pequeños y poderosos, se enfrentan a algunas limitaciones fundamentales impuestas por las leyes de la física cuántica. Por esta razón, el futuro del campo puede estar en la fotónica, el paralelo a la electrónica basado en la luz. La fotónica es teóricamente similar a la electrónica, pero sustituye los fotones por electrones. Tienen una gran ventaja potencial en el sentido de que los dispositivos fotónicos pueden procesar datos mucho más rápido que sus contrapartes electrónicas, incluso para las computadoras cuánticas.

Alireza Marandi. 1 crédito

Actualmente, el campo sigue siendo muy activo en la investigación básica y carece de los dispositivos cruciales necesarios para ser práctico. Sin embargo, un nuevo chip fotónico desarrollado en Caltech podría representar un avance crítico para el campo, particularmente para permitir procesadores de información cuántica fotónica. Puede generar y medir estados cuánticos de luz de una manera que anteriormente solo era posible con equipos de laboratorio grandes y costosos.

La niobita de litio, una sal cuyos cristales tienen muchas aplicaciones en óptica, sirve como base para el chip. Un lado del chip genera los llamados estados de luz comprimidos y se miden en el otro lado. Un estado de luz comprimido es, para decirlo de manera muy simple, luz cuando se ha hecho menos “ruidoso” a nivel cuántico. Los estados de luz comprimidos se han utilizado recientemente para aumentar la sensibilidad de LIGOel observatorio que utiliza rayos láser para detectar ondas gravitacionales. Si planea procesar datos con dispositivos cuánticos basados ​​en luz, ese mismo estado de luz más silencioso es importante.

“La calidad de los estados cuánticos que hemos obtenido supera las exigencias del procesamiento de información cuántica, que alguna vez fue territorio de grandes instalaciones experimentales”, dice Alireza Marandi. Es profesor asistente de ingeniería eléctrica y física aplicada en Caltech. “Nuestro trabajo marca un hito en la generación y medición de estados cuánticos de luz en un circuito fotónico integrado”.

Según Marandi, esta tecnología muestra un camino hacia el eventual desarrollo de procesadores ópticos cuánticos que operen a frecuencias de reloj de terahercios. En comparación, eso es miles de veces más rápido que el procesador microelectrónico de una MacBook Pro.

Esta tecnología puede encontrar aplicaciones prácticas en comunicaciones, detección y[{” attribute=””>quantum computing in the next five years, says Marandi.

“Optics has been among the promising routes for realization of quantum computers because of several inherent advantages in scalability and ultrafast logical operations at room temperature,” says Rajveer Nehra, a postdoctoral scholar and one of the lead authors of the paper. “However, one of the main challenges for scalability has been generating and measuring quantum states with sufficient qualities in nanophotonics. Our work addresses that challenge.”

Reference: “Few-cycle vacuum squeezing in nanophotonics” by Rajveer Nehra, Ryoto Sekine, Luis Ledezma, Qiushi Guo, Robert M. Gray, Arkadev Roy and Alireza Marandi, 15 September 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abo6213

The paper describing the research appears in the September 15 issue of the journal Science. Co-authors include Nehra and Qiushi Guo, both postdoctoral scholar research associates in electrical engineering; and electrical engineering graduate students Ryoto Sekine (MS ’22), Luis Ledezma, Robert M. Gray, and Arkadev Roy.

Funding for the research was provided by NTT Research, the Army Research Office, the National Science Foundation, the Air Force Office of Scientific Research, and NASA.