Entrelazando fotones con electricidad

LEDInvestigadores de Cambridge en el Reino Unido, ha tenido éxito al generar fotones entrelazados usando sólo electricidad, con un nuevo dispositivo conocido como “diodo emisor de luz entrelazada” (ELED). El dispositivo convierte la corriente eléctrica directamente en luz entrelazada en lugar de depender de un potente láser como en tecnologías anteriores. La técnica podría ser una forma práctica de integrar muchas fuentes de lz entrelazada en un único chip – algo que sería crucial para hacer un ordenador cuántico óptico.

El entrelazamiento permite a las partículas tener una relación mucho más cercana de lo que es posible en la física clásica: si dos partículas están entrelazadas, se puede conocer automáticamente el estado de una partícula midiendo el estado de la otra – a pesar de que es imposible adivinar el estado antes de la medida. Por ejemplo, dos fotones pueden estar entrelazados de tal forma que siempre se mida que tienen la misma polarización lineal, incluso aunque no podemos predecir esa polarización de antemano.

La mecánica cuántica también dice que la partícula puede existir en una superposición de dos estados simultáneamente. Tal fenómeno podría usarse para aprovecharlo en un computador cuántico, el cual, en principio podría realizar ciertas tareas mucho más rápido que un computador clásico. Esto se debe a que los ordenadores comunes usan bits de información que se asignan a unos o ceros, mientras que un ordenador cuántico usaría bits cuánticos de información, o qubits, que pueden estar en una superposición de 1 y cero al mismo tiempo. Un 1 podría representar, digamos, un fotón polarizado horizontalmente, mientras que el 0 podría representar uno verticalmente polarizado.

Manejando la luz

Andrew Shields y Mark Stevenson de Toshiba Research Europe junto con colegas de la Universidad de Cambridge crearon el ELED usando una técnica estándar de fabricación de semiconductores similar a la que se usa para fabricar los LEDs comunes. Esto implica crear capas de semiconductor usando crecimiento epitaxial por haces moleculares seguido de un proceso para definir el área activa del LED y añadir contactos eléctricos. El ELED difiere de un LED común en que contiene puntos cuánticos – diminutas islas nanométricas de semiconductor.

El punto cuántico puede ajustarse para captar dos electrones y dos huecos, lo que pone el sistema en un estado de “biexcitón”. Entonces decae en un estado base a través de dos estados excitón intermedios, el camino que determina la polarización de los pares de fotones resultantes. Si la estructura fina que se divide entre estos dos estados es aproximadamente cero, la única forma de determinar el camino de decaimiento es medir la polarización de los fotones – los fotones, por tanto, se dice que están entrelazados.

Aunque este proceso se ha usado antes para emitir pares de fotones aislados, nunca se había usado para entrelazar fotones en grandes cantidades. La clave para lograr esto fue optimizar el grosor del material semiconductor que rodea el punto cuántico para controlar el suministro de corriente hacia él, para evitar que los electrones se tunelicen en los puntos cuánticos de la región n-dopada, lo cual destruiría el entrelazamiento. También fue muy importante confeccionar con cuidado el punto cuántico aislado en el centro del dispositivo para asegurar que emitía fotones con una energía de 1,4 eV que tiene una división muy fina entre sus dos rutas de producción.

Fotones de alta fidelidad

El dispositivo emite pares entrelazados individuales de fotones cuando se aplica un pulso de corriente y tiene una “fidelidad de entrelazamiento” de 0,82 – una cifra que es suficiente para que se use en repetidores cuánticos, que están relacionados con los componentes que forman el núcleo de la computación cuántica, tal como el teletransporte. La fidelidad de entrelazamiento es una medida de cómo de puro es el entrelazamiento de la luz: si el valor supera 0,5, la luz está entrelazada, siendo 1 el valor máximo.

Aunque los investigadores crearon anteriormente luz entrelazada que tenía una mayor fidelidad de 0,91, esto implicaba métodos más complicados que requerían hacer incidir un intenso rayo láser sobre puntos cuánticos en cristales. El nuevo dispositivo, por otra parte, simplemente está alimentado por una fuente de voltaje. Otras técnicas láser, tales como la “conversión paramétrica hacia abajo” de fotones, puede producir luz entrelazada con una fidelidad mayor, pero estos son procesos aleatorios, lo que significa que el número de fotones entrelazados en un ciclo, varía. Es decir, pueden crearse cero, dos o más pares – lago que es un problema para las aplicaciones de computación cuántica.

“Las fuentes de puntos cuánticos tales como el ELED no sufren esta limitación fundamental y, en principio, operan ‘bajo demanda’ generando un par de fotones entrelazados cada ciclo”, dijo Stevenson a physicsworld.com. “La fidelidad de nuestro ELED es notable considerando que es el primer dispositivo de este tipo. En teoría, podría ser mucho mayor”.

El equipo de Cambridge espera que este dispositivo pueda finalmente ayudar a crear computadores cuánticos ópticos que sean prácticos, lo que requiere muchas fuentes de luz entrelazada en un único chip. Esto es difícil de lograr con otros métodos que dependen de la luz láser como fuente de energía debido a que el hardware asociado con la generación, distribución y enfoque de la luz rápidamente se hace demasiado grande y complejo. Stevenson dice que la computación cuántica podría ayudar a abordar mucho problemas intratables tales como el modelado del clima y la investigación farmacéutica.

El trabajo se publica en la revista Nature.


Autor: Belle Dumé
Fecha Original: 5 de junio de 2010
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