Un grupo de científicos de la Universidad Northwestern, la Universidad de Boston (BU) y la Universidad de California en Berkeley (UC Berkeley), ubicadas en EE.UU., han construido un diminuto sistema cuántico fotónico en un chip electrónico tradicional. Esta integración fotónico-electrónica permite que un solo chip produzca de manera confiable un flujo de pares de fotones (unidades básicas que codifican información cuántica) necesarios para la comunicación, la detección y el procesamiento cuántico basados en la luz. Estos chips cuánticos integrados podrían convertirse en los componentes básicos de tecnologías que abarcan desde redes de comunicación seguras hasta detección avanzada y, eventualmente, infraestructura de computación cuántica.
El nuevo chip de silicio combina componentes generadores de luz cuántica (fotónica) con circuitos de control electrónico clásicos, todo ello en un área de tan solo un milímetro por un milímetro. Por lo tanto, el chip no solo genera luz cuántica, sino que también cuenta con su propio sistema electrónico inteligente integrado para mantener dicha luz estable.
Gracias a su capacidad de fabricación mediante los mismos procesos de alto volumen que crean miles de millones de transistores para la electrónica de uso diario, los chips de silicio son una plataforma óptima para los sistemas cuánticos basados en la luz. Sin embargo, el funcionamiento estable de estos diminutos dispositivos ópticos cuánticos requiere capacidades que actualmente no son estándar en una fusión comercial.
Reducción de los componentes del chip cuántico
Para controlar estas pequeñas variaciones, los investigadores han recurrido a grandes equipos externos para estabilizar los dispositivos ópticos cuánticos, lo que hace que parezca imposible miniaturizar sistemas completos. En el nuevo estudio, publicado en la revista Nature Electronics, el equipo integró diminutos canales en forma de anillo, cada uno mucho más pequeño que el grosor de un cabello humano, en el chip de silicio. Cuando un láser potente incide en estos canales circulares, llamados resonadores de microanillo, genera pares de fotones.
El equipo añadió sensores de fotocorriente que actúan como pequeños monitores para controlar la luz. Si la fuente de luz se desvía debido a fluctuaciones de temperatura u otras perturbaciones, los sensores envían una señal a un pequeño calentador, que ajusta la fuente de fotones a su estado óptimo.
Dado que el chip utiliza retroalimentación integrada para estabilizarse, se comporta de forma predecible a pesar de los cambios de temperatura y las variaciones de fabricación, un requisito esencial para la ampliación de los sistemas cuánticos. Además, evita la necesidad de grandes equipos externos.
Para garantizar que el complejo chip cuántico pudiera fabricarse mediante un proceso CMOS estándar, los científicos adoptaron una estrategia de diseño. Integraron los componentes fotónicos directamente en las estructuras existentes de las fábricas comerciales de CMOS, que ya se utilizan para fabricar chips de computadora. De esta forma, los investigadores consiguieron que la fotónica funcionara dentro de las limitaciones de una plataforma CMOS comercial, permitiendo codiseñar la electrónica y la óptica cuántica como un sistema unificado.
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