Innovadoras jaulas de luz 3D podrían revolucionar el internet cuántico

El almacenamiento de información cuántica se considera esencial para el futuro de la computación cuántica y un internet cuántico global. Actualmente, los sistemas de comunicación cuántica enfrentan problemas de pérdida de señal a largas distancias, lo que limita el alcance de la información cuántica. Las memorias cuánticas ayudan a resolver este problema al permitir que los repetidores cuánticos hagan posible que la información se transfiera a través de una red mediante el entrelazamiento, en lugar de desvanecerse.

Un nuevo estudio publicado en Light: Science & Applications reportó un avance significativo en este campo. Investigadores de la Humboldt-Universität zu Berlin, el Leibniz Institute of Photonic Technology y la Universidad de Stuttgart introdujeron un nuevo tipo de memoria cuántica construida a partir de estructuras impresas en 3D, conocidas como "jaulas de luz", llenas de vapor atómico. Al combinar luz y átomos en un solo chip, el equipo creó una plataforma diseñada para la escalabilidad y la integración fluida en sistemas fotónicos cuánticos.

Características de las Jaulas de Luz

Las jaulas de luz son guías de onda de núcleo hueco diseñadas para guiar la luz de manera eficiente, permitiendo al mismo tiempo el acceso al espacio interior. Este diseño ofrece una ventaja clave sobre las fibras huecas convencionales, que pueden tardar meses en llenarse con vapor atómico. En contraste, la estructura abierta de las jaulas de luz permite que los átomos de cesio se difundan en el núcleo mucho más rápidamente, reduciendo el proceso de llenado a solo unos días sin sacrificar el rendimiento óptico.

Las estructuras se fabricaron utilizando litografía de polimerización por dos fotones con sistemas de impresión 3D comerciales. Este enfoque permite a los investigadores imprimir directamente guías de onda huecas intrincadas en chips de silicio con una precisión extremadamente alta. Para proteger los dispositivos de reacciones químicas con el cesio, las guías de onda se recubrieron con una capa protectora. Las pruebas mostraron que no hubo signos de degradación incluso después de cinco años de operación, lo que resalta la estabilidad a largo plazo del sistema.

"Creamos una estructura guía que permite la rápida difusión de gases y fluidos dentro de su núcleo, con la versatilidad y reproducibilidad proporcionadas por el proceso de impresión 3D. Esto permite la verdadera escalabilidad de esta plataforma, no solo para la fabricación intra-chip de las guías de onda, sino también inter-chip, para producir múltiples chips con el mismo rendimiento", explicó el equipo de investigación.

Transformando Luz en Información Cuántica Almacenada

Dentro de las jaulas de luz, los pulsos de luz entrantes se convierten eficientemente en excitaciones colectivas de los átomos circundantes. Después de un tiempo de almacenamiento elegido, un láser de control revierte este proceso y libera la luz almacenada exactamente cuando se necesita. En una demostración clave, los investigadores almacenaron con éxito pulsos de luz muy débiles que contenían solo unos pocos fotones durante varios cientos de nanosegundos. Creen que este enfoque puede extenderse eventualmente para almacenar fotones individuales durante muchos milisegundos.

Otro hito importante fue la integración de múltiples memorias de jaula de luz en un solo chip colocado dentro de una celda de vapor de cesio. Las mediciones mostraron que diferentes jaulas de luz con el mismo diseño ofrecieron un rendimiento de almacenamiento casi idéntico en dos dispositivos separados en el mismo chip. Este nivel de consistencia es esencial para construir sistemas cuánticos escalables.

La fuerte reproducibilidad proviene de la precisión del proceso de impresión 3D. Las variaciones dentro de un solo chip se mantuvieron por debajo de 2 nanómetros, mientras que las diferencias entre chips permanecieron por debajo de 15 nanómetros. Este control estricto es crítico para el multiplexado espacial, una técnica que podría aumentar drásticamente el número de memorias cuánticas operando juntas en un solo dispositivo.

Implicaciones para Redes y Computación Cuántica

Las memorias cuánticas de jaula de luz abordan varios desafíos de larga data en la tecnología cuántica. En redes de repetidores cuánticos, podrían sincronizar múltiples fotones individuales al mismo tiempo, aumentando significativamente la eficiencia de la comunicación cuántica a larga distancia. En la computación cuántica fotónica, las memorias proporcionan retrasos controlados que son necesarios para operaciones de retroalimentación en sistemas de computación cuántica basados en mediciones.

La plataforma también se destaca por su practicidad. A diferencia de muchas tecnologías competidoras, opera ligeramente por encima de la temperatura ambiente y no requiere refrigeración criogénica ni configuraciones complejas de captura de átomos. Esto facilita el despliegue del sistema, al tiempo que ofrece un mayor ancho de banda por modo de memoria. La capacidad de producir muchas memorias cuánticas idénticas en un solo chip abre un camino claro hacia la integración fotónica cuántica a gran escala.

Gracias a su proceso de fabricación flexible, la tecnología puede combinarse potencialmente con acoplamiento directo de fibra y componentes fotónicos existentes. Estas ventajas posicionan a las memorias cuánticas de jaula de luz como un fuerte candidato para la futura infraestructura de comunicación cuántica.

Un Camino Escalable hacia Adelante

El desarrollo de memorias cuánticas de jaula de luz marca un paso significativo en la investigación fotónica cuántica. Al fusionar la avanzada impresión 3D con principios fundamentales de la óptica cuántica, los investigadores han creado un sistema compacto y escalable que podría acelerar la llegada de redes cuánticas prácticas y computadoras cuánticas más poderosas.

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