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CIENCIA. El uso de propiedades cuánticas de la luz para transmitir información

 

Esta ilustración de un nodo a nanoescala creado por el laboratorio de Nick Vamivakas, profesor de óptica cuántica y física cuántica, muestra un primer plano de uno de los pilares de una matriz, cada uno de apenas 120 nanómetros de altura. Cada pilar sirve como marcador de ubicación para un estado cuántico que puede interactuar con los fotones. Una nueva alineación de diselenuro de tungsteno (WSe2) se cubre sobre los pilares con una capa subyacente altamente reactiva de triyoduro de cromo (CrI3). Donde las capas atómicamente delgadas de un área de 12 micrones se tocan, el CrI3 imparte una carga eléctrica al WSe2, creando un "agujero" a lo largo de cada uno de los pilares. Ilustración de la Universidad de Rochester / Michael Osadciw

Investigadores de la Universidad de Rochester y la Universidad de Cornell han dado un paso importante hacia el desarrollo de una red de comunicaciones que intercambia información a grandes distancias mediante el uso de fotones, medidas de luz sin masa que son elementos clave de la computación cuántica y los sistemas de comunicaciones cuánticas.

El equipo de investigación ha diseñado un nodo a nanoescala hecho de materiales magnéticos y semiconductores que podrían interactuar con otros nodos, utilizando luz láser para emitir y recibir fotones.

El desarrollo de una red cuántica de este tipo, diseñada para aprovechar las propiedades físicas de la luz y la materia caracterizadas por la mecánica cuántica, promete formas más rápidas y eficientes de comunicarse, calcular y detectar objetos y materiales en comparación con las redes que se utilizan actualmente para la informática y las comunicaciones.

Descrito en la revista Nature Communications , el nodo consta de una serie de pilares de apenas 120 nanómetros de altura. Los pilares son parte de una plataforma que contiene capas atómicamente delgadas de semiconductores y  .

La matriz está diseñada para que cada pilar sirva como marcador de ubicación para un estado cuántico que pueda interactuar con fotones y los fotones asociados puedan interactuar potencialmente con otras ubicaciones en el dispositivo y con matrices similares en otras ubicaciones. Este potencial para conectar nodos cuánticos a través de una red remota capitaliza el concepto de entrelazamiento, un fenómeno de  que, en su nivel más básico, describe cómo las propiedades de las partículas están conectadas a nivel subatómico.

a Una ilustración esquemática de la estructura del dispositivo que muestra el orden de las capas atómicamente delgadas en el dispositivo. El recuadro recuadro se acerca a la región de un nanopilar. b El salto de carga debido a la heterounión de Tipo II da como resultado un WSe 2 altamente dopado con p Los espines de las bandas de conducción y valencia de WSe 2 (CrI 3 ) se muestran con flechas rojas y verdes (azules). c Proceso de fotoemisión de 2D X + con un orificio adicional en el valle K '(arriba); Un espectro PL típico de la heteroestructura de los nanopilares que muestra la prominencia de la emisión 2D X + debido al dopado del orificio sin campo magnético aplicado (parte inferior). reProceso de emisión de localización para un 0D X + que conduce a un solo agujero en el valle K '(arriba); Espectro PL con campo magnético cero en los nanopilares que muestran múltiples líneas de emisión 0D X + y 0D X 0 (abajo).


Hacia la miniaturización de la computadora cuántica

El proyecto se basa en el trabajo que el Laboratorio Vamivakas ha realizado en los últimos años utilizando diselenuro de tungsteno (WSe2) en las denominadas heteroestructuras de Van der Waals. Ese trabajo utiliza capas de materiales atómicamente delgados una encima de la otra para crear o capturar fotones individuales.

El nuevo dispositivo utiliza una alineación novedosa de WSe2 que cubre los pilares con una capa subyacente altamente reactiva de triyoduro de cromo (CrI3). Donde las capas de área atómicamente delgadas de 12 micrones se tocan, el CrI3 imparte una  al WSe2, creando un "agujero" a lo largo de cada uno de los pilares.

En física cuántica, un agujero se caracteriza por la ausencia de un electrón. Cada agujero cargado positivamente también tiene una propiedad magnética binaria norte / sur asociada, de modo que cada uno es también un nanomaimán.

Este trabajo impulsará una mayor exploración experimental en la ingeniería de sustratos con nano patrones

Cuando el dispositivo está bañado en  , ocurren más reacciones, convirtiendo los nanoimanes en matrices de espines individuales ópticamente activos que emiten e interactúan con fotones. Mientras que el procesamiento de información clásico se ocupa de bits que tienen valores de cero o uno, los estados de espín pueden codificar tanto cero como uno al mismo tiempo, ampliando las posibilidades de procesamiento de información. Esto contribuirá en gran medida a miniaturizar una computadora cuántica.

Aún por decidir, ¿enredo o distancia?

Dos grandes desafíos enfrentaron los investigadores al crear el dispositivo.

Uno fue la creación de un entorno inerte en el que trabajar con el CrI3 altamente reactivo. Aquí fue donde entró en juego la colaboración con la Universidad de Cornell. Por ejemplo, la fabricación del CrI3 se realizó en cajas de guantes llenas de nitrógeno para evitar la degradación del oxígeno y la humedad.

El otro desafío fue determinar la configuración correcta de pilares para garantizar que los orificios y los valles de giro asociados con cada pilar pudieran registrarse correctamente para eventualmente vincularse a otros nodos.

Y ahí radica el próximo gran desafío: encontrar una manera de enviar fotones a largas distancias a través de una fibra óptica a otros nodos, preservando al mismo tiempo sus propiedades de entrelazamiento. Aún no se ha diseñado el dispositivo capaz de promover ese tipo de comportamiento. Eso es algo que está en el camino.

Fuente: Arunabh Mukherjee et al. Observation of site-controlled localized charged excitons in CrI3/WSe2 heterostructures, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-19262-2

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