Un equipo internacional de investigadores dirigido por la Universidad de Michigan ha descubierto un nuevo camino para enviar y recibir información con fotones de luz únicos.
Su experimento demostró la posibilidad de usar un efecto conocido como no linealidad para modificar y detectar señales de luz extremadamente débiles, aprovechando los distintos cambios en un sistema cuántico para avanzar en la computación de próxima generación.
En la actualidad, a medida que la tecnología de la información basada en la electrónica de silicio se ve cada vez más estrangulada por el calentamiento y el consumo de energía, la óptica no lineal está bajo intensa investigación como una posible solución. El cartón de huevos cuántico captura y libera fotones, lo que respalda los estados cuánticos "excitados" mientras poseela energía extra. A medida que aumenta la energía en el sistema, se necesita un salto de energía más grande para llegar al siguiente estado excitado: esa es la no linealidad.
"Los investigadores se han preguntado si los efectos no lineales detectables pueden mantenerse a niveles de potencia extremadamente bajos, hasta fotones individuales. Esto nos llevaría al límite inferior fundamental de consumo de energía en el procesamiento de información", dijo Hui Deng, profesor de física yautor principal del artículo en Naturaleza .
"Demostramos un nuevo tipo de estado híbrido para llevarnos a ese régimen, uniendo la luz y la materia a través de una serie de puntos cuánticos", agregó.
Los físicos e ingenieros utilizaron un nuevo tipo de semiconductor para crear puntos cuánticos dispuestos como una caja de huevos. Los puntos cuánticos son estructuras esencialmente diminutas que pueden aislar y confinar partículas cuánticas individuales, como electrones y otras cosas más extrañas. Estos puntos son losbolsillos en el cartón de huevos. En este caso, confinan excitones, cuasi-partículas formadas por un electrón y un "agujero". Aparece un agujero cuando un electrón en un semiconductor se patea en una banda de mayor energía, dejando una carga positiva detrásen su lugar habitual. Si el agujero ensombrece al electrón en su banda de energía paralela, los dos se consideran como una sola entidad, un excitón.
En los dispositivos convencionales, con poca o ninguna no linealidad, los excitones deambulan libremente y apenas se encuentran entre sí. Estos materiales pueden contener muchos excitones idénticos al mismo tiempo sin que los investigadores noten ningún cambio en las propiedades del material.
Sin embargo, si el excitón está confinado a un punto cuántico, se vuelve imposible colocar un segundo excitón idéntico en el mismo bolsillo. Necesitará un excitón con una energía más alta si desea introducir otro, quesignifica que necesitará un fotón de mayor energía para hacerlo. Esto se conoce como bloqueo cuántico y es la causa de la no linealidad.
Pero los puntos cuánticos típicos tienen solo unos pocos átomos de ancho, no están en una escala utilizable. Como solución, el equipo de Deng creó una matriz de puntos cuánticos que contribuyen a la no linealidad de una sola vez.
El equipo produjo este paisaje energético de cartón de huevos con dos escamas de semiconductor, que se consideran materiales bidimensionales porque están hechos de una sola capa molecular, con solo unos pocos átomos de espesor. Los semiconductores 2D tienen propiedades cuánticas que son muy diferentes de las más grandes.Una lama era disulfuro de tungsteno y la otra diselenuro de molibdeno. Colocadas con un ángulo de aproximadamente 56,5 grados entre sus redes atómicas, las dos estructuras electrónicas entrelazadas crearon una red electrónica más grande, con bolsas de unos 10 átomos de ancho.
Para que la matriz de puntos cuánticos dentro del semiconductor 2D se controle como un grupo con luz, el equipo construyó un resonador haciendo un espejo en la parte inferior, colocando el semiconductor encima y luego depositando un segundo espejoencima del semiconductor.
"Es necesario controlar el grosor con mucha fuerza para que el semiconductor esté al máximo del campo óptico", dijo Zhang Long, investigador postdoctoral en el laboratorio de Deng y primer autor del artículo.
Con el cartón de huevos cuántico incrustado en la "cavidad" reflejada que permitió que la luz láser roja resonara, el equipo observó la formación de otro estado cuántico, llamado polaritón. Los polaritones son un híbrido de los excitones y la luz en la cavidad.Esto confirmó que todos los puntos cuánticos interactúan con la luz en concierto. En este sistema, el equipo de Deng demostró que poner algunos excitones en la caja conducía a un cambio medible de la energía del polaritón, demostrando no linealidad y mostrando que se estaba produciendo un bloqueo cuántico.
"Los ingenieros pueden usar esa no linealidad para discernir la energía depositada en el sistema, potencialmente hasta la de un solo fotón, lo que hace que el sistema sea prometedor como un interruptor de energía ultrabaja", dijo Deng.
Los conmutadores se encuentran entre los dispositivos necesarios para lograr una computación de potencia ultrabaja y pueden integrarse en puertas más complejas.
"La investigación del profesor Deng describe cómo las no linealidades de polariton se pueden adaptar para consumir menos energía", dijo Michael Gerhold, gerente de programa en la Oficina de Investigación del Ejército, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU.dirigido a la fotónica integrada del futuro utilizada para la computación de energía ultrabaja y el procesamiento de información que podría usarse para el procesamiento neuromórfico para sistemas de visión, procesamiento de lenguaje natural o robots autónomos ".
El bloqueo cuántico también significa que un sistema similar podría usarse para qubits, los bloques de construcción para el procesamiento de información cuántica. Una ruta hacia adelante es averiguar cómo abordar cada punto cuántico en la matriz como un qubit individual. Otra forma seríalograr un bloqueo de polaritones, similar al bloqueo de excitones que se ve aquí. En esta versión, el conjunto de excitones, que resuena en el tiempo con la onda de luz, sería el qubit.
Usados de esta manera, los nuevos semiconductores 2D tienen potencial para llevar los dispositivos cuánticos a temperatura ambiente, en lugar del frío extremo del nitrógeno líquido o el helio líquido.
"Estamos llegando al final de la Ley de Moore", dijo Steve Forrest, profesor universitario distinguido de ingeniería eléctrica Peter A. Franken y coautor del artículo, refiriéndose a la tendencia de duplicación de la densidad de transistores en un chipcada dos años. "Los materiales bidimensionales tienen muchas propiedades ópticas y electrónicas interesantes que pueden, de hecho, llevarnos a esa tierra más allá del silicio".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Michigan . Original escrito por Kate McAlpine. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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