El nuevo e innovador chip nanofotónico de Caltech ‘aprieta’ más lejos de la luz

Caltech ha desarrollado un nuevo chip fotónico que puede generar y medir estados cuánticos de luz en formas que antes solo eran posibles con equipos de laboratorio voluminosos y costosos. Crédito: Natasha Mutch y Nicolle R. Fuller, Sayo Studio

La computación y las comunicaciones electrónicas han avanzado significativamente desde los días de la radiotelegrafía y los tubos de vacío. De hecho, los dispositivos de consumo ahora contienen niveles de potencia de procesamiento y memoria que habrían sido inimaginables hace solo unas décadas.

Pero a medida que los microdispositivos informáticos y de procesamiento de información se vuelven más pequeños y más potentes, se topan con algunos límites fundamentales impuestos por las leyes de la física cuántica. Debido a esto, el futuro del campo puede estar en la fotónica, el paralelo a la electrónica basado en la luz. La fotónica es teóricamente similar a la electrónica, pero reemplaza los fotones con electrones. Tienen una gran ventaja potencial, ya que los dispositivos fotónicos pueden procesar datos mucho más rápido que sus contrapartes electrónicas, incluso para las computadoras cuánticas.

Alireza Marandi. Crédito: Caltech

Actualmente, el campo sigue siendo muy activo en la investigación fundamental y carece de dispositivos cruciales que se necesitan para ser prácticos. Sin embargo, un nuevo chip fotónico desarrollado en Caltech podría representar un avance crítico para el campo, especialmente para permitir procesadores de información cuántica fotónica. Puede generar y medir estados cuánticos de luz de formas que anteriormente solo eran posibles con equipos de laboratorio voluminosos y costosos.

La niobita de litio, una sal cuyos cristales tienen muchas aplicaciones en óptica, sirve como base del chip. Un lado del chip genera lo que se conoce como estados de luz comprimida y se miden en el otro lado. Un estado de luz comprimida es, en pocas palabras, luz cuando se vuelve menos «ruidoso» a nivel cuántico. Los estados comprimidos de luz se han utilizado recientemente para aumentar la sensibilidad de LIGOel observatorio que utiliza rayos láser para detectar ondas gravitacionales. Si va a procesar datos con dispositivos cuánticos basados ​​en luz, ese mismo estado de luz menos ruidoso es importante.

“La calidad de los estados cuánticos que logramos supera los requisitos de procesamiento de información cuántica, que solían ser el territorio de voluminosas configuraciones experimentales”, dice Alireza Marandi. Es profesor asistente de ingeniería eléctrica y física aplicada en Caltech. «Nuestro trabajo marca un paso importante en la generación y medición de estados cuánticos de luz en un circuito fotónico integrado».

Según Marandi, esta tecnología muestra un camino a seguir para el eventual desarrollo de procesadores ópticos cuánticos que funcionan a velocidades de reloj de terahercios. En comparación, eso es miles de veces más rápido que el procesador microelectrónico de una MacBook Pro.

Es posible que esta tecnología pueda encontrar usos prácticos en comunicaciones, detección y[{» attribute=»»>quantum computing in the next five years, says Marandi.

“Optics has been among the promising routes for realization of quantum computers because of several inherent advantages in scalability and ultrafast logical operations at room temperature,” says Rajveer Nehra, a postdoctoral scholar and one of the lead authors of the paper. “However, one of the main challenges for scalability has been generating and measuring quantum states with sufficient qualities in nanophotonics. Our work addresses that challenge.”

Reference: “Few-cycle vacuum squeezing in nanophotonics” by Rajveer Nehra, Ryoto Sekine, Luis Ledezma, Qiushi Guo, Robert M. Gray, Arkadev Roy and Alireza Marandi, 15 September 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abo6213

The paper describing the research appears in the September 15 issue of the journal Science. Co-authors include Nehra and Qiushi Guo, both postdoctoral scholar research associates in electrical engineering; and electrical engineering graduate students Ryoto Sekine (MS ’22), Luis Ledezma, Robert M. Gray, and Arkadev Roy.

Funding for the research was provided by NTT Research, the Army Research Office, the National Science Foundation, the Air Force Office of Scientific Research, and NASA.