La fotónica de silicio abre el camino hacia aplicaciones a gran escala en información cuántica

15 de julio de 2024

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por SPIE

En un avance significativo para la tecnología cuántica, los investigadores han logrado un hito en la aprovechamiento de la dimensión de frecuencia dentro de la fotónica integrada. Este avance no solo promete avances en la computación cuántica, sino que también sienta las bases para redes de comunicaciones ultra seguras.

La fotónica integrada, la manipulación de la luz dentro de pequeños circuitos en chips de silicio, ha tenido promesas para aplicaciones cuánticas debido a su escalabilidad y compatibilidad con la infraestructura de telecomunicaciones existente.

En un estudio publicado en Advanced Photonics, investigadores del Centro de Nanociencias y Nanotecnología (C2N), Télécom Paris y STMicroelectronics (STM) han superado limitaciones anteriores al desarrollar resonadores anulares de silicio con una huella menor a 0.05 mm2 capaces de generar más de 70 canales de frecuencia distintos espaciados 21 GHz de distancia.

Esto permite la paralelización y control independiente de 34 compuertas de qubit único usando solo tres dispositivos electro-ópticos estándar. El dispositivo puede generar eficientemente pares de fotones entrelazados por frecuencia que son fácilmente manipulables, componentes críticos en la construcción de redes cuánticas.

La innovación clave radica en su capacidad para explotar estas estrechas separaciones de frecuencia para crear y controlar estados cuánticos. Utilizando resonadores anulares integrados, generaron con éxito estados de entrelazamiento de frecuencia a través de un proceso conocido como mezcla espontánea de cuatro ondas. Esta técnica permite que los fotones interactúen y se entrelacen, una capacidad crucial para la construcción de circuitos cuánticos.

Lo que distingue esta investigación es su practicidad y escalabilidad. Al aprovechar el control preciso ofrecido por sus resonadores de silicio, los investigadores demostraron la operación simultánea de 34 compuertas de qubit único usando solo tres dispositivos electro-ópticos listos para usar. Este avance permite la creación de complejas redes cuánticas donde múltiples qubits pueden ser manipulados de manera independiente y en paralelo.

Para validar su enfoque, el equipo realizó experimentos en C2N, mostrando tomografía de estado cuántico en 17 pares de qubits máximamente entrelazados en diferentes contenedores de frecuencia. Esta caracterización detallada confirmó la fidelidad y coherencia de sus estados cuánticos, marcando un paso significativo hacia la computación cuántica práctica.

Quizás lo más notablemente, los investigadores lograron un hito en la conexión en red al establecer lo que creen que es la primera red cuántica de cinco usuarios completamente conectada en el dominio de frecuencia. Este logro abre nuevas vías para protocolos de comunicación cuántica, que se basan en la transmisión segura de información codificada en estados cuánticos.

Mirando hacia el futuro, esta investigación no solo destaca el poder de la fotónica de silicio en el avance de las tecnologías cuánticas, sino que también allana el camino para futuras aplicaciones en la computación cuántica y las comunicaciones seguras. Con avances continuos, estas plataformas de fotónica integrada podrían revolucionar industrias que dependen de la transmisión segura de datos, ofreciendo niveles sin precedentes de potencia computacional y seguridad de datos.

El autor correspondiente, el Dr. Antoine Henry de C2N y Télécom Paris, comenta: 'Nuestro trabajo destaca cómo las frecuencias pueden ser aprovechadas para aplicaciones a gran escala en información cuántica. Creemos que ofrece perspectivas para arquitecturas de dominio de frecuencia escalables para comunicaciones cuánticas de alta dimensión y eficientes en recursos.'

Henry señala que los fotones individuales en longitudes de onda de telecomunicaciones son ideales para aplicaciones del mundo real. La explotación de las redes de fibra óptica existentes con fotónica integrada permite la miniaturización, estabilidad y potencial de escalamiento para una mayor complejidad de dispositivos, y por lo tanto, la generación eficiente y personalizada de pares de fotones para implementar redes cuánticas con codificación de frecuencia en la longitud de onda de telecomunicaciones.

Las implicaciones de esta investigación son vastas. Al aprovechar la dimensión de frecuencia en la fotónica integrada, los investigadores han desbloqueado ventajas clave, incluida la escalabilidad, la resistencia al ruido, la paralelización y la compatibilidad con técnicas multiplexación de telecomunicaciones existentes. A medida que el mundo se acerca más a realizar todo el potencial de las tecnologías cuánticas, este hito informado por los investigadores de C2N, Telecom Paris y STM sirve como un faro, guiando el camino hacia un futuro donde las redes cuánticas ofrezcan comunicación segura.

Journal information: Advanced Photonics

Provided by SPIE