Investigadores logran "purificar" fotones para mejorar la tecnología cuántica

Un equipo de investigadores de la Universidad de Iowa realizó un descubrimiento significativo en el campo de la tecnología cuántica al encontrar una forma de "purificar" los fotones. Este avance podría mejorar tanto el rendimiento como la seguridad de las tecnologías cuánticas basadas en luz. Al refinar la producción de partículas de luz individuales, el método busca superar limitaciones que han persistido en los sistemas ópticos cuánticos.

Los científicos se centraron en dos obstáculos principales que dificultan la generación de un flujo confiable de fotones individuales, esenciales para las computadoras cuánticas fotónicas y las redes de comunicación seguras. Uno de los desafíos es conocido como dispersión láser. Cuando un láser ilumina un átomo para provocar la emisión de un fotón, el proceso puede generar fotones adicionales no deseados. Estas partículas adicionales actúan como interferencia en un circuito óptico, reduciendo la eficiencia de manera similar a como lo hace una corriente eléctrica no deseada en un circuito convencional.

El segundo problema surge de la forma en que los átomos responden a la luz láser. En raras ocasiones, un átomo emite más de un fotón a la vez. Cuando esto ocurre, el orden preciso necesario para las operaciones cuánticas se interrumpe, ya que los fotones adicionales interfieren con el flujo previsto de uno por uno.

Utilizando el ruido láser para cancelar la luz no deseada

En el nuevo estudio, Matthew Nelson, un estudiante de posgrado en el Departamento de Física y Astronomía, descubrió una conexión inesperada entre estos dos problemas. Encontró que cuando un átomo libera múltiples fotones, el espectro de longitud de onda y la forma de onda resultantes coinciden estrechamente con los de la luz láser. Esta similitud permite ajustar cuidadosamente las dos señales para cancelarse entre sí. De este modo, la dispersión láser que normalmente causa problemas puede utilizarse para suprimir las emisiones de fotones no deseados.

El profesor Ravitej Uppu, autor correspondiente del estudio, afirmó: "Hemos demostrado que la dispersión láser no deseada, que generalmente se considera una molestia, puede aprovecharse para cancelar la emisión de múltiples fotones no deseados. Este avance teórico podría convertir un problema de larga data en una herramienta poderosa para avanzar en las tecnologías cuánticas".

Importancia de los fotones individuales para la computación cuántica

La computación fotónica se basa en la luz en lugar de la electricidad para realizar cálculos, lo que ofrece el potencial de sistemas más rápidos y eficientes. Las computadoras convencionales operan utilizando bits, que son flujos de pulsos eléctricos u ópticos que representan unos y ceros. En cambio, las computadoras cuánticas utilizan qubits, que a menudo son partículas subatómicas como los fotones.

Muchas empresas emergentes creen que las plataformas fotónicas desempeñarán un papel clave en el futuro de la computación cuántica. Un flujo estable y bien controlado de fotones individuales es fundamental para hacer que esa visión sea práctica. Un flujo ordenado de fotones es más fácil de gestionar y escalar, además de mejorar la seguridad. Los investigadores lo comparan con guiar a los estudiantes a través de una fila de cafetería uno a la vez, en lugar de permitir que se muevan como una multitud. De la misma manera, una línea de fotones individuales reduce el riesgo de que los datos sean interceptados o escuchados.

Control de precisión para flujos de fotones más limpios

Uppu explicó que el control cuidadoso del haz láser es la clave del nuevo método. "Si podemos controlar exactamente cómo el haz láser ilumina un átomo, el ángulo desde el cual llega, la forma del haz, etc., podemos hacer que cancele todos los fotones adicionales que el átomo tiende a emitir. Así, obtendríamos un flujo que es realmente muy puro".

El trabajo demuestra, en teoría, que se pueden abordar simultáneamente dos barreras importantes para circuitos fotónicos más rápidos. Si se confirma experimentalmente, la técnica podría ayudar a acelerar el desarrollo de computadoras cuánticas avanzadas y sistemas de comunicación más seguros. Los investigadores planean probar esta idea en experimentos futuros.

Detalles del estudio y financiamiento

El estudio, titulado "Purificación asistida por ruido de una fuente de fotones individuales", fue publicado en la revista Optica Quantum. El financiamiento para la investigación provino de la Oficina del Subsecretario de Defensa para Investigación y Ingeniería del Departamento de Defensa de EE. UU. Se proporcionó apoyo adicional a través de una subvención inicial de la Oficina del Vicepresidente de Investigación de la Universidad de Iowa mediante el programa P3, que ayudó a lanzar el proyecto.