Un equipo de investigadores ha construido una matriz de detectores de luz lo bastante sensibles como para registrar la llegada de partículas individuales de luz, o fotones, y los ha montado en un chip óptico de silicio. Estas matrices son componentes cruciales de dispositivos que usan fotones para realizar cálculos cuánticos.
Los detectores de fotón único son notoriamente temperamentales: de 100 depositados en un chip mediante técnicas de fabricación estándar, por lo general solo funcionará un puñado. En un artículo publicado hoy en Nature Communications, los investigadores del MIT y de otras instituciones describen un procedimiento para fabricar y probar los detectores por separado y luego transferir los que funcionan a un chip óptico fabricado mediante procesos estándar.
Además de producir matrices mucho más densas y grandes, el método también aumenta la sensibilidad de los detectores. En los experimentos, los investigadores descubrieron que sus detectores tenían hasta 100 veces más probabilidades de registrar con precisión la llegada de un solo fotón que los detectores de matrices anteriores.
«Se fabrican ambas partes —los detectores y el chip fotónico— mediante su mejor proceso de fabricación, que es específico para cada una, y luego se unen», explica Faraz Najafi, estudiante de posgrado de ingeniería eléctrica e informática del MIT y primer autor del nuevo artículo.
Pensar en pequeño
Según la mecánica cuántica, las diminutas partículas físicas pueden, contraintuitivamente, encontrarse en estados mutuamente excluyentes al mismo tiempo. Por tanto, un elemento de cálculo hecho de una partícula de ese tipo —conocido como bit cuántico, o cúbit— podría representar simultáneamente el cero y el uno. Si varios cúbits están «entrelazados», es decir, si sus estados cuánticos dependen unos de otros, un único cálculo cuántico es, en cierto sentido, como realizar muchos cálculos en paralelo.
Con la mayoría de las partículas, es difícil mantener el entrelazamiento, pero con los fotones es relativamente fácil. Por ese motivo, los sistemas ópticos son una vía prometedora para el cálculo cuántico. Pero cualquier computadora cuántica —por ejemplo, una cuyos cúbits sean iones atrapados con láser o átomos de nitrógeno incrustados en diamante— seguiría beneficiándose del uso de fotones entrelazados para transportar información cuántica.
«Como, en última instancia, se querrá fabricar procesadores ópticos de este tipo con quizá decenas o cientos de cúbits fotónicos, resulta poco práctico hacerlo con componentes ópticos tradicionales», afirma Dirk Englund, profesor adjunto de desarrollo profesional Jamieson de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT y autor de correspondencia del nuevo artículo. «No solo resulta poco práctico, sino que probablemente sea imposible, porque si se intentara construirlo sobre una gran mesa óptica, el simple movimiento aleatorio de la mesa generaría ruido en estos estados ópticos. Por eso se ha trabajado para miniaturizar estos circuitos ópticos e integrarlos en circuitos fotónicos.»
El proyecto fue una colaboración entre el grupo de Englund y el Grupo de Nanoestructuras Cuánticas y Nanofabricación, dirigido por Karl Berggren, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática, del que forma parte Najafi. A los investigadores del MIT también se sumaron colegas de IBM y del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA.
Traslado
El proceso de los investigadores comienza con un chip óptico de silicio fabricado mediante técnicas convencionales. En un chip de silicio aparte, hacen crecer una fina película flexible de nitruro de silicio, sobre la que depositan el superconductor nitruro de niobio siguiendo un patrón útil para detectar fotones. En ambos extremos del detector resultante, depositan electrodos de oro.
Luego, en un extremo de la película de nitruro de silicio, fijan una pequeña gota de polidimetilsiloxano, un tipo de silicona. Después presionan contra la silicona una sonda de tungsteno, que normalmente se usa para medir voltajes en chips experimentales.
«Es casi como Silly Putty», dice Englund. «Se coloca, se extiende y crea una gran superficie de contacto; cuando se levanta rápidamente, conserva esa gran superficie. Luego vuelve a relajarse hasta reducirse a un punto. Es como intentar recoger una moneda con el dedo. Se presiona y se levanta rápidamente, y poco después se cae.»
Con la sonda de tungsteno, los investigadores despegan la película de su sustrato y la fijan al chip óptico.
En las matrices anteriores, los detectores registraban solo el 0,2 por ciento de los fotones individuales dirigidos hacia ellos. Históricamente, incluso los detectores integrados en el chip y depositados individualmente apenas habían superado el 2 por ciento. Pero los detectores del nuevo chip de los investigadores alcanzaron hasta el 20 por ciento. Aún queda mucho para llegar al 90 por ciento o más que requiere un circuito cuántico práctico, pero es un gran paso en la dirección correcta.
«Este trabajo es una proeza técnica», afirma Robert Hadfield, profesor de fotónica de la Universidad de Glasgow, quien no participó en la investigación. «Existe potencial para ampliar la escala a circuitos grandes que requieran cientos de detectores mediante tecnología comercial de selección y colocación.»
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Larry Hardesty es colaborador del MIT.
Imagen: Uno de los nuevos detectores de fotones de los investigadores, depositado transversalmente sobre un canal de luz —o «guía de ondas» (banda negra horizontal)— en un chip óptico de silicio. MIT.
