Noticias

Oct 28, 2023

nuevo todo

Las tecnologías cuánticas prometen revolucionar la sociedad al permitir radicalmente nuevos

Las tecnologías cuánticas prometen revolucionar la sociedad al permitir métodos radicalmente nuevos para la comunicación, la detección y la computación. Es un mundo de posibilidades que la ciencia, en muchos sentidos, apenas ha comenzado a esbozar.

La criptografía cuántica, si pudiera lograrse, por ejemplo, proporcionaría niveles incomparables de seguridad de datos contra piratas informáticos nefastos. Esto se debe a que la información cuántica se puede codificar en fotones (partículas individuales de luz) que no se pueden copiar ni medir. Los intrusos serían expuestos inmediatamente.

Sin embargo, uno de los mayores obstáculos para la criptografía cuántica que los científicos deben superar primero es la capacidad de crear fotones de manera que alimenten de manera confiable las redes cuánticas o una Internet cuántica.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por Boubacar Kanté, profesor asociado de Chenming Hu en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación de UC Berkeley y científico de la facultad de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), ha demostrado el primer fuente de luz cuántica usando silicio. Kanté dice que el silicio, el material sobre el que se fabrican millones de pequeños dispositivos electrónicos cada día, es el material optoelectrónico más "escalable" que se conoce.

Su investigación fue publicada hoy en Nature Communications.

"La posibilidad de utilizar silicio como fuente de luz cuántica significa que los procesos actuales de fabricación de chips de semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS) a gran escala en el núcleo de los dispositivos de optoelectrónica e inteligencia artificial (IA) actuales pueden usarse directamente para futuros sistemas cuánticos. , dijo Kanté.

Desde finales de la década de 1970, se han demostrado muchos dispositivos cuánticos emisores de fotones únicos prometedores para la criptografía cuántica. Incluyen materiales exóticos de ciencia de materiales como puntos cuánticos, centros de color en materiales de banda ancha, cristales no lineales y celdas de vapor atómico.

Sin embargo, a pesar de décadas de investigación, no hay un ganador claro para una fuente de luz cuántica que alimente una Internet cuántica.

Una internet cuántica a escala, explicó Kanté, requeriría no solo una fuente de luz cuántica brillante y eficiente, sino también fotones que puedan propagarse en las fibras ópticas existentes sin ser absorbidos. Ninguna fuente de luz disponible en la actualidad puede cumplir con ese estándar alto. Todos requieren conversión de energía para la integración con plataformas compatibles con CMOS, como sucede hoy con las fuentes de luz "clásicas" integradas.

Pero el desafío de integrar dispositivos cuánticos con plataformas compatibles con CMOS es aún más importante que el de los sistemas clásicos, dijo Kanté. Esto se debe a que cada interfaz permite pérdidas de luz cuántica que deben minimizarse.

La fuente de luz cuántica de silicio bajo demanda desarrollada por el equipo de laboratorio de UC Berkeley/Berkeley es el primer trabajo experimental que demuestra la integración de un único centro emisivo atómico de silicio, conocido como centro G, directamente en una cavidad nanofotónica de silicio, explicó Kanté.

"En este trabajo, incrustamos con éxito por primera vez un defecto atómico en silicio del tamaño de átomos (1 angstrom) en una cavidad fotónica de silicio (1 micra) con el tamaño de menos de una décima parte de un cabello humano. La cavidad obliga al átomo a ser más brillante y emite fotones a un ritmo más rápido. Esos son ingredientes necesarios para las fuentes de luz cuántica escalables para el futuro [cuántico] de Internet", dijo.

La fabricación exitosa de los emisores de un solo fotón implica una secuencia de fabricación controlada, comenzando con una oblea de silicio de grado comercial que se implanta con carbono. A la implantación le sigue la litografía, el grabado y el recocido térmico, todos los procesos estándar disponibles en las fundiciones de semiconductores actuales.

El desafío, dijo Kanté, residía en crear centros emisivos atómicos y controlar su densidad y distribución para una superposición exitosa con las cavidades ópticas. El equipo ha superado algunos de los desafíos clave, pero se necesitan mejoras y aún quedan muchas preguntas por responder.

De izquierda a derecha: Boubacar Kanté, Christos Papapanos, Kaushalya Jhuria, Walid Redjem, Thomas Schenkel, Wayesh Qarony, Vsevolod Ivanov, Yertay Zhiyenbayev, Wei Liu, Liang Tan, Prabin Parajuli y Scott Dhuey en la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. (Foto del laboratorio de Berkeley)

"Descubrimos que durante la creación de los centros emisivos individuales, el proceso de recocido crea fluctuaciones en las propiedades cuánticas, y ahora comprendemos los parámetros críticos que controlan estas propiedades", dijo Thomas Schenkel, investigador de Berkeley Lab.

El uso de silicio ha sido algo contradictorio, dijo Walid Redjem, investigador postdoctoral en el grupo de Kante. "El silicio es lo que usted llama un semiconductor de banda prohibida indirecta. Eso significa que no es favorable para la emisión de luz. Por ejemplo, no hay un láser eficiente que use silicio".

Pero resulta que la realidad solo se aplica a las fuentes de luz clásicas. "No es un problema para las fuentes de luz cuántica", dijo Kanté. Él y su equipo ya están trabajando arduamente para refinar aún más su fuente de luz cuántica de silicio.

El estudio fue dirigido por Redjem, el investigador postdoctoral Wayesh Qarony y Yertay Zhiyenbayev, un doctorado de tercer año. estudiante en el grupo de Kanté. Otros coautores incluyen a Schenkel, Vsevolod Ivanov, Christos Papapanos, Wei Liu, Kaushalya Jhuria, Zakaria Al Balushi, Scott Dhuey, Adam Schwartzberg y Liang Tan.

La Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Energía proporcionaron el apoyo principal para el estudio. La financiación adicional provino de la Oficina de Investigación Naval, el programa Moore Inventor Fellows y la Beca Bakar de UC Berkeley.