Los investigadores del MIT han diseñado una forma de generar, a temperatura ambiente, más fotones individuales para transportar información cuántica. El diseño, dicen, es prometedor para el desarrollo de computadoras cuánticas prácticas.
Los emisores cuánticos generan fotones que pueden detectarse uno a la vez. Las computadoras y dispositivos cuánticos de consumo podrían aprovechar ciertas propiedades de esos fotones como bits cuánticos "qubits" para ejecutar cálculos. Mientras que las computadoras clásicas procesan y almacenan información en bits deya sea 0s o 1s, los qubits pueden ser 0 y 1. simultáneamente. Eso significa que las computadoras cuánticas podrían resolver problemas que son intratables para las computadoras clásicas.
Sin embargo, un desafío clave es producir fotones individuales con propiedades cuánticas idénticas, conocidas como fotones "indistinguibles". Para mejorar la indistinguibilidad, los emisores canalizan la luz a través de una cavidad óptica donde los fotones rebotan de un lado a otro, un proceso que ayuda a igualarsus propiedades a la cavidad. Generalmente, cuanto más tiempo permanecen los fotones en la cavidad, más coinciden.
Pero también hay una compensación. En las cavidades grandes, los emisores cuánticos generan fotones espontáneamente, lo que resulta en que solo una pequeña fracción de fotones permanezca en la cavidad, lo que hace que el proceso sea ineficiente. Las cavidades más pequeñas extraen porcentajes más altos de fotones, pero los fotones son de menor calidado "distinguible"
En un artículo publicado hoy en Cartas de revisión física , los investigadores dividieron una cavidad en dos, cada una con una tarea designada. Una cavidad más pequeña maneja la extracción eficiente de fotones, mientras que una cavidad grande adjunta los almacena un poco más para aumentar la indistinguibilidad.
En comparación con una sola cavidad, la cavidad acoplada de los investigadores generó fotones con alrededor del 95 por ciento de indistinguibilidad, en comparación con el 80 por ciento de indistinguibilidad, con una eficiencia tres veces mayor.
"En resumen, dos es mejor que uno", dice el primer autor Hyeongrak "Chuck" Choi, un estudiante graduado en el Laboratorio de Electrónica de Investigación del MIT RLE ". Lo que encontramos es que en esta arquitectura, podemos separar elroles de las dos cavidades: la primera cavidad se enfoca simplemente en recolectar fotones para una alta eficiencia, mientras que la segunda se enfoca en la indistinguibilidad en un solo canal. Una cavidad que desempeña ambos roles no puede cumplir con ambas métricas, pero dos cavidades logran ambas simultáneamente ".
Uniéndose a Choi en el papel están: Dirk Englund, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, investigador en RLE y jefe del Laboratorio de Fotónica Cuántica; Di Zhu, un estudiante graduado en RLE; y Yoseob Yoon, un graduadoestudiante en el Departamento de Química.
Los emisores cuánticos relativamente nuevos, conocidos como "emisores de un solo fotón", se crean por defectos en materiales puros, como diamantes, nanotubos de carbono dopados o puntos cuánticos. La luz producida por estos "átomos artificiales" es capturada por unpequeña cavidad óptica en cristal fotónico, una nanoestructura que actúa como un espejo. Algunos fotones escapan, pero otros rebotan alrededor de la cavidad, lo que obliga a los fotones a tener las mismas propiedades cuánticas, principalmente, varias propiedades de frecuencia.partido, salen de la cavidad a través de una guía de ondas.
Pero los emisores de un solo fotón también experimentan toneladas de ruido ambiental, como vibraciones reticulares o fluctuación de carga eléctrica, que producen diferentes longitudes de onda o fases. Los fotones con diferentes propiedades no pueden ser "interferidos", de modo que sus ondas se superponen, lo que resulta en patrones de interferenciaEse patrón de interferencia es básicamente lo que una computadora cuántica observa y mide para realizar tareas computacionales.
La indistinguibilidad de los fotones es una medida del potencial de los fotones para interferir. De esa manera, es una métrica valiosa para simular su uso para la computación cuántica práctica. "Incluso antes de la interferencia de los fotones, con indistinguibilidad, podemos especificar la capacidad de los fotones para interferir", Dice Choi." Si conocemos esa capacidad, podemos calcular lo que sucederá si la usan para tecnologías cuánticas, como computadoras cuánticas, comunicaciones o repetidores ".
En el sistema de los investigadores, una pequeña cavidad se encuentra unida a un emisor, que en sus estudios era un defecto óptico en un diamante, llamado "centro de vacantes de silicio" - un átomo de silicio que reemplaza dos átomos de carbono en una red de diamantesLa luz producida por el defecto se recoge en la primera cavidad. Debido a su estructura de enfoque de luz, los fotones se extraen con tasas muy altas. Luego, la nanocavidad canaliza los fotones en una segunda cavidad más grande. Allí, los fotones se recuperan yhacia adelante por un cierto período de tiempo. Cuando alcanzan una alta indistinguibilidad, los fotones salen a través de un espejo parcial formado por agujeros que conectan la cavidad a una guía de ondas.
Importantemente, dice Choi, ninguna de las cavidades tiene que cumplir con los requisitos de diseño rigurosos para la eficiencia o la indistinguibilidad como las cavidades tradicionales, llamadas "factor de calidad factor Q". Cuanto mayor sea el factor Q, menor será la pérdida de energía en las cavidades ópticasPero las cavidades con altos factores Q son tecnológicamente difíciles de hacer.
En el estudio, la cavidad acoplada de los investigadores produjo fotones de mayor calidad que cualquier sistema de una sola cavidad. Incluso cuando su factor Q era aproximadamente una centésima parte de la calidad del sistema de una sola cavidad, podrían lograr la misma indistinguibilidad con tresveces mayor eficiencia.
Las cavidades se pueden ajustar para optimizar la eficiencia frente a la indistinguibilidad, y para considerar cualquier restricción sobre el factor Q, dependiendo de la aplicación. Eso es importante, agrega Choi, porque los emisores de hoy que funcionan a temperatura ambiente pueden variar mucho en calidady propiedades.
A continuación, los investigadores están probando el límite teórico final de múltiples cavidades. Una cavidad más aún manejaría la extracción inicial de manera eficiente, pero luego estaría vinculada a múltiples cavidades que los fotones de varios tamaños para lograr una indistinguibilidad óptima. Pero la mayoríaProbablemente sea un límite, Choi dice: "Con dos cavidades, solo hay una conexión, por lo que puede ser eficiente. Pero si hay varias cavidades, las conexiones múltiples podrían volverlo ineficiente. Ahora estamos estudiando el límite fundamental para las cavidades.para uso en computación cuántica "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Rob Matheson. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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