Nuevo dispositivo cuántico genera fotones individuales y codifica información

El enfoque es un paso hacia el uso de fotones individuales en la comunicación cuántica y el procesamiento de información.

Un nuevo enfoque para los emisores de luz cuánticos genera una corriente de fotones individuales polarizados circularmente, o partículas de luz, que pueden ser útiles para una variedad de aplicaciones de comunicación e información cuántica.

Un equipo del Laboratorio Nacional de Los Álamos apiló dos materiales atómicamente delgados diferentes para realizar esta fuente de luz cuántica quiral.

“Nuestra investigación muestra que es posible que un semiconductor monocapa emita luz polarizada circularmente sin la ayuda de un campo magnético externo“, dijo Han Htoon, científico del Laboratorio Nacional de Los Álamos.

“Este efecto sólo se había logrado antes con campos magnéticos elevados creados por imanes superconductores voluminosos, acoplando emisores cuánticos a estructuras fotónicas a nanoescala muy complejas o inyectando portadores polarizados por espín en emisores cuánticos.

Nuestro enfoque de efecto de proximidad tiene la ventaja de una fabricación de bajo costo y confiabilidad”.

El estado de polarización es un medio para codificar el fotón, por lo que este logro es un paso importante en la dirección de la criptografía cuántica o la comunicación cuántica.

“Con una fuente para generar un flujo de fotones individuales y también introducir polarización, básicamente hemos combinado dos dispositivos en uno”, dijo Htoon.

El equipo de investigación trabajó en el Centro de Nanotecnologías Integradas para apilar una capa de una sola molécula de semiconductor de diseleniuro de tungsteno sobre una capa más gruesa de semiconductor magnético de trisulfuro de níquel y fósforo.

Xiangzhi Li, investigador asociado postdoctoral, utilizó microscopía de fuerza atómica para crear una serie de hendiduras a escala nanométrica en la delgada pila de materiales.

Las muescas tienen aproximadamente 400 nanómetros de diámetro, por lo que más de 200 de estas muescas pueden caber fácilmente en el ancho de un cabello humano.

Las hendiduras creadas por la herramienta de microscopía atómica resultaron útiles para dos efectos cuando se enfocaba un láser en la pila de materiales.

En primer lugar, la hendidura forma un pozo o depresión en el paisaje energético potencial.

Los electrones de la monocapa de diseleniuro de tungsteno caen en la depresión.

Esto estimula la emisión de una corriente de fotones individuales desde el pozo.

La nanoindentación también altera las propiedades magnéticas típicas del cristal de trisulfuro de níquel y fósforo subyacente, creando un momento magnético local que apunta hacia afuera de los materiales.

Ese momento magnético polariza circularmente los fotones que se emiten.

Para proporcionar una confirmación experimental de este mecanismo, el equipo primero realizó experimentos de espectroscopia óptica de alto campo magnético en colaboración con la Instalación de Campo Pulsado del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Los Álamos.

Luego, el equipo midió el diminuto campo magnético de los momentos magnéticos locales en colaboración con la Universidad de Basilea en Suiza.

Los experimentos demostraron que el equipo había demostrado con éxito un enfoque novedoso para controlar el estado de polarización de un único flujo de fotones.

Actualmente, el equipo está explorando formas de modular el grado de polarización circular de fotones individuales mediante la aplicación de estímulos eléctricos o de microondas.

Esa capacidad ofrecería una forma de codificar información cuántica en el flujo de fotones.

Un mayor acoplamiento del flujo de fotones en guías de ondas (conductos microscópicos de luz) proporcionaría los circuitos fotónicos que permitirían la propagación de fotones en una dirección.

Estos circuitos serían los componentes fundamentales de una Internet cuántica ultrasegura.

Fuente: Nature