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Un filtro importante para las redes cuánticas

Andreas Gretsch trabajando en el montaje experimental. Crédito: T. Naeser, MPQ

Un equipo de investigadores de MPQ ha sido pionero en la incorporación de átomos de erbio con propiedades ópticas especiales en un cristal de silicio. Por lo tanto, los átomos se pueden conectar a la luz en una longitud de onda comúnmente utilizada en las comunicaciones. Esto los convierte en bloques de construcción ideales para futuras redes cuánticas que permitan realizar cálculos utilizando muchas computadoras cuánticas, así como el intercambio seguro de datos en Internet cuántica. Dado que los nuevos resultados experimentales se lograron sin enfriamiento avanzado y dependen de métodos establecidos para la producción de semiconductores, el método parece adecuado para grandes redes.


Cuando las computadoras cuánticas se conectan a una red, surgen posibilidades completamente nuevas, similares a Internet que consiste en computadoras clásicas interconectadas. como esto red cuántica Esto se puede lograr entrelazando portadores individuales de información cuántica, los 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 ha demostrado un método factible para construir una red cuántica usando 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 fue publicado en X. revisión física.

Bajas pérdidas y fuerte agarre

La nueva tecnología depende de erbio Átomos que crecen en la red cristalina de silicio bajo condiciones muy específicas. «Hemos aprendido de experimentos anteriores que el erbio tiene 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 con una longitud de onda de aproximadamente 1550 nanómetros: el rango espectral”. Se utiliza para transmitir datos en cables de fibra óptica. Solo aparecen bajas pérdidas durante la propagación en fibras transmisoras de luz.

«Además, la luz emitida por el erbio tiene una coherencia excelente», señala Reiser. 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 propiedades hacen del erbio un filtro principal Para lograr una computadora cuántica, o para usarla como portadora de información en una red cuántica, dice Reiser.

Sin embargo, lo que puede parecer simple, ha planteado un desafío técnico difícil 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 una manera específica y reproducible, y fijarlos en posiciones específicas en relación con los átomos de silicio. “Elegimos el silicio para este propósito porque ya se usa para los semiconductores clásicos que forman la base de nuestra sociedad de la información”, explica el físico. “Los procesos existentes están disponibles para preparar cristales de silicio de alta calidad y pureza”.

Átomos de erbio en silicio: un importante candidato para redes cuánticas

Interpretación técnica del experimento, en el que los átomos de erbio individuales (rojo y naranja) se fusionan en un chip de silicio. Crédito: C. Hohmann, MPQ

Temperaturas moderadas y líneas espectrales estrechas

Para incorporar átomos de erbio en un cristal de este tipo, en términos técnicos, para doparlo, primero se les debe proporcionar microestructuras a nanoescala. Actúan como elementos conductores de luz. Luego, los investigadores irradiaron el silicio con un haz de iones de erbio para que átomos individuales Penetró y se dispersó a 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», dice Andreas Gretsch, estudiante de doctorado en el equipo.

El resultado de la temperatura relativamente suave fue una integración particularmente estable de los átomos de erbio individuales en la red cristalina, sin un mayor número de átomos agrupados. Esto se manifestó en líneas espectrales inusualmente estrechas en la emisión. luz infrarroja por erbio, «según el informe de Gretsch: a unos 10 kHz, que es el ancho espectral más pequeño medido en nanoestructuras hasta la fecha». Esta también es una propiedad favorable para construir una red cuántica, dice el investigador.

Otra ventaja caracteriza el método optimizado de los investigadores de Garching para dopar cristales de silicio: las excelentes propiedades ópticas de los átomos de erbio insertados no aparecen solo en las inmediaciones del cero absoluto a -273 °C como en experimentos anteriores.

Alternativamente, también se pueden observar a temperaturas consideradas «altas» para fenómenos cuánticos en torno a los 8 K (grados por encima del cero absoluto). «Tal temperatura se puede alcanzar enfriando en nailon líquido con helio líquido», dice Andreas Reiserer. «Esto 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 ellos se pueden construir computadoras cuánticas, en las que se interconecta una gran cantidad de procesadores separados. Mediante el uso de estas máquinas computacionales, que utilizan ciertos efectos mecánicos cuánticos, es posible dominar tareas complejas que no pueden resolverse utilizando sistemas convencionales y clásicos. Alternativamente, las redes cuánticas se pueden utilizar para investigar las propiedades de nuevos tipos de materiales.

O se puede utilizar para construir una especie de internet cuántico Donde se pueden transmitir cantidades de información previamente inaccesibles, similar a la Internet normal, pero se cifra de forma segura mediante criptografía cuántica, dice Reiser.

El requisito previo para todas estas aplicaciones potenciales es el entrelazamiento de qubits cuánticos en la red. «Nuestra próxima tarea es demostrar que esto también es posible en base a átomos de erbio en obleas de silicio», dice Andreas Reiserer.

El físico y su equipo ya están trabajando en este desafío. Su objetivo: mostrar que los circuitos para redes cuánticas potentes se pueden producir de manera similar a los microchips de los teléfonos móviles o las computadoras portátiles, pero abren un vasto campo de nuevos descubrimientos científicos y posibilidades técnicas inimaginables en la actualidad.

más información:
Andreas Gretsch et al., Transiciones ópticas estrechas en guías de ondas de silicio implantadas con erbio, X. revisión física (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.041009

Introducción de
Sociedad Max Planck

La frase: Erbium Atoms in Silicon: A Prime Candidate for Quantum Networks (7 de noviembre de 2022) Consultado el 7 de noviembre de 2022 en https://phys.org/news/2022-11-erbium-atoms-silicon-prime-candidate.html

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