Un candidato principal para las redes cuánticas

Un equipo de investigadores de MPQ fue pionero en la integración de átomos de erbio con propiedades ópticas especiales en un cristal de silicio. De este modo, los átomos pueden unirse mediante luz en una longitud de onda comúnmente utilizada en telecomunicaciones. Esto los convierte en bloques de construcción ideales para futuras redes cuánticas que permitan cálculos con múltiples computadoras cuánticas, así como el intercambio seguro de datos en una Internet cuántica. Dado que los nuevos resultados experimentales se obtuvieron sin un enfriamiento sofisticado y se basan en métodos establecidos de producción de semiconductores, el método parece adecuado para matrices grandes.

Cuando las computadoras cuánticas están conectadas a una red, surgen posibilidades completamente nuevas, análogas a Internet compuesta por computadoras clásicas interconectadas. Tal que red cuántica se puede lograr entrelazando portadores individuales de información cuántica, llamados qubits, entre sí usando luz.

Los qubits, a su vez, se pueden construir a partir de átomos individuales aislados entre sí e incrustados en un cristal anfitrión. Un equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) en Garching y la Universidad Técnica de Munich ahora han demostrado una forma factible de construir una red cuántica utilizando átomos en un cristal de silicio. Esto significa que la misma tecnología que se usa en las computadoras clásicas también se puede usar para las computadoras cuánticas y sus redes.

Su trabajo está publicado en Exploración física X.

Bajas pérdidas y alta consistencia

La nueva tecnología se basa en erbio átomos que se implantan en la red cristalina de silicio en condiciones muy específicas. “Sabíamos por experimentos anteriores que el erbio tenía buenas propiedades ópticas para tal aplicación”, dice el Dr. Andreas Reiserer, jefe del grupo de investigación Otto Hahn Quantum Networks en MPQ: Los átomos de este elemento de tierras raras emiten luz infrarroja a una longitud de onda de aproximadamente 1550 nanómetros: el rango espectral utilizado para el transporte de datos en cables de fibra óptica. Solo tiene bajas pérdidas cuando se propaga en una fibra conductora de luz.

“Además, la luz emitida por el erbio tiene una coherencia excelente”, señala Reiserer. Esto significa que los trenes de ondas individuales están en una relación de fase estable entre sí, un requisito previo para almacenar y transmitir información cuántica. “Estas características hacen del erbio un primer candidato para realizar una computadora cuántica o para ser utilizado como portador de información en una red cuántica”, explica Reiserer.

Sin embargo, lo que puede parecer simple planteó un desafío tecnológico complicado para los investigadores de MPQ. Entre otras cosas, el equipo tuvo que incrustar átomos individuales del elemento de tierras raras en la matriz de cristal de forma específica y reproducible y fijarlos en posiciones específicas en relación con los átomos de silicio. “Elegimos para esto el silicio porque ya se usa para los semiconductores convencionales que son la base de nuestra sociedad de la información”, explica el físico. “Se dispone de procesos establecidos para la preparación de cristales de silicio de alta calidad y pureza”.

Temperaturas moderadas, líneas espectrales estrechas

Para integrar átomos de erbio en un cristal de este tipo, en la jerga técnica, doparlo, primero se le tuvo que dar estructuras a nanoescala. Sirven como elementos conductores de luz. Luego, los investigadores irradiaron el silicio con un haz de iones de erbio para que átomos individuales penetrado y dispersado en diferentes lugares a altas temperaturas. “Al contrario del procedimiento habitual, no calentamos los chips a 1000, sino solo a un máximo de 500 grados centígrados”, explica Andreas Gritsch, estudiante de doctorado en el equipo.

La consecuencia de la temperatura relativamente moderada fue una integración particularmente estable de los átomos de erbio individuales en la red cristalina, sin que se juntaran más átomos. “Esto se manifestó en líneas espectrales inusualmente estrechas en la emisión de luz infrarroja por erbio”, informa Gritsch: alrededor de 10 kilohercios, el ancho de línea espectral más pequeño medido en nanoestructuras hasta la fecha. “También es una propiedad favorable para la construcción de una red cuántica”, especifica el investigador.

Y hay otra característica que distingue al método optimizado por los investigadores de Garching para dopar el cristal de silicio: las excelentes propiedades ópticas de los átomos de erbio introducidos no solo se manifiestan en las inmediaciones del cero absoluto a menos 273 grados centígrados como en experimentos anteriores. .

En cambio, también se pueden observar a temperaturas consideradas “altas” para fenómenos cuánticos en torno a los 8 Kelvin (grados por encima del cero absoluto). “Esa temperatura se puede alcanzar enfriando en un criostato con helio líquido”, explica Andreas Reiserer. “Es tecnológicamente fácil de lograr y allana el camino para futuras aplicaciones”.

Varias aplicaciones potenciales

La gama de posibles aplicaciones futuras para las redes cuánticas es amplia. A partir de él, se podrían construir computadoras cuánticas, en las que se interconectan una gran cantidad de procesadores separados. Con tales máquinas informáticas, que utilizan ciertos efectos mecánicos cuánticos, se pueden dominar tareas complejas que no se pueden resolver con los sistemas clásicos clásicos. Alternativamente, las redes cuánticas podrían usarse para estudiar las propiedades de nuevos tipos de materiales.

“O podrían usarse para construir algún tipo de internet cuántico en el que se podrían transmitir cantidades de información previamente inaccesibles, como en Internet normal, pero cifradas de forma segura mediante criptografía cuántica”, dice Reiserer.

El requisito previo para todas estas posibles aplicaciones es entrelazar mecánicamente cuánticamente los qubits en una red. “Mostrar que esto también es posible en base a átomos de erbio en chips de silicio es nuestra próxima tarea”, dice Andreas Reiserer.

Con su equipo, el físico ya está trabajando para dominar este desafío. Su objetivo: mostrar que los circuitos de potentes redes cuánticas se pueden producir de la misma forma que los microchips para teléfonos móviles o portátiles, pero abren un amplio campo a nuevos descubrimientos científicos y posibilidades técnicas impensables hoy en día.