Se trata de un paso adelante hacia el uso de fotones individuales en la comunicación cuántica y el procesamiento de la información

En la computación cuántica los fotones desempeñan un papel fundamental como portadores de información cuántica y como qubits fotónicos, que son la unidad básica de información de la misma forma que los bits son la medida en los computadores electrónicos, y, como su nombre indica, usan electrones.

¿Por qué fotones? Estos partículas de luz poseen propiedades cuánticas, como la superposición y el entrelazamiento, lo que las convierte en candidatas ideales para la implementación de cúbits en sistemas cuánticos. Pero el problema es generar fotones con la polarización adecuada.

Usando un nuevo enfoque de emisores de luz cuántica, los científicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos han podido generar un flujo de fotones únicos polarizados circularmente. El equipo apiló dos materiales de un espesor de unos pocos átomos para crear esta fuente de luz cuántica quiral, es decir, tiene una dirección y una polarización única y entrelazada, que podría ser útil para aplicaciones de información y comunicación cuánticas.

«Nuestra investigación demuestra que es posible que un semiconductor monocapa emita luz polarizada circularmente sin la ayuda de un campo magnético externo», afirma Han Htoon, científico del Laboratorio Nacional de Los Álamos. «Este efecto sólo se había conseguido antes con campos magnéticos elevados creados por voluminosos imanes superconductores, acoplando emisores cuánticos a estructuras fotónicas a nanoescala muy complejas o inyectando portadores polarizados por espín en emisores cuánticos. Nuestro enfoque de efecto de proximidad tiene la ventaja de su bajo coste de fabricación y su fiabilidad».

La polarización de la luz se puede entender como el plano en el que oscila la luz. Al superponer dos cristales polarizados, perpendicularmente uno con otro, que filtran una sola dirección de oscilación, la luz no puede pasar. El estado de polarización es una forma de codificar el fotón, por lo que este logro es un paso importante en la dirección de la criptografía cuántica o la comunicación cuántica.

Las hendiduras, clave de la fotoluminiscencia

Como se describe en la publicación en Nature Materials, el equipo de investigación trabajó en el Centro de Nanotecnologías Integradas para apilar una capa de una sola molécula de grosor de semiconductor de diseleniuro de tungsteno sobre una capa más gruesa de semiconductor magnético de trisulfuro de fósforo y níquel.

Xiangzhi Li, investigador postdoctoral asociado, utilizó microscopía atómica para crear una serie de muescas a escala nanométrica en la delgada pila de materiales. Las hendiduras tienen un diámetro aproximado de 400 nanómetros, por lo que más de 200 de ellas caben fácilmente en el ancho de un cabello humano.

Las hendiduras creadas por la herramienta de microscopía atómica resultaron útiles para dos efectos cuando se enfocó un láser sobre la pila de materiales. En primer lugar, la hendidura forma un pozo, o depresión, en el paisaje de energía potencial. Los electrones de la monocapa de diseleniuro de wolframio caen en la depresión. Esto estimula la emisión de un flujo de fotones individuales desde el pozo.

La nanoindentación también altera las propiedades magnéticas típicas del cristal de trisulfuro de níquel y fósforo subyacente, creando un momento magnético local que apunta hacia arriba y hacia fuera de los materiales. Ese momento magnético polariza circularmente los fotones emitidos. Para confirmar experimentalmente este mecanismo, el equipo realizó primero experimentos de espectroscopia óptica de alto campo magnético en colaboración con la Instalación de Campo Pulsado del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético de Los Álamos. A continuación, el equipo midió el campo magnético diminuto de los momentos magnéticos locales en colaboración con la Universidad de Basilea (Suiza).

Los experimentos demostraron que el equipo había puesto a punto un método novedoso para controlar el estado de polarización de un único flujo de fotones.

Codificación de información cuántica

En la actualidad, el grupo de investigación está explorando formas de modular el grado de polarización circular de los fotones individuales con la aplicación de estímulos eléctricos o de microondas. Esto permitiría codificar información cuántica en el flujo de fotones.

El acoplamiento posterior del flujo de fotones en guías de ondas —conductos microscópicos de luz— proporcionaría los circuitos fotónicos que permiten la propagación de fotones en una dirección. Estos circuitos serían los componentes fundamentales de una internet cuántica ultrasegura.

REFERENCIA

Proximity-induced chiral quantum light generation in strain-engineered WSe2/NiPS3 heterostructures