Detección cuántica mejorada para comunicaciones inalámbricas a escala de chip

La demanda de intercambio y procesamiento rápido de datos ha desencadenado una carrera por obtener más ancho de banda en los sistemas de comunicación inalámbrica. Así lo describe la Ley de Edholm, que establece que el ancho de banda y las velocidades de datos prácticamente se duplican cada año y medio. A medida que nuestras redes inalámbricas se acercan a sus límites, la búsqueda de velocidades de datos aún más rápidas lleva a los investigadores a explorar territorios inexplorados: bandas de frecuencia más altas, como ondas milimétricas, terahercios y frecuencias ópticas.

Si bien se ha adoptado la longitud de onda milimétrica en sistemas inalámbricos de corto alcance, se necesita más para las demandas futuras. La comunicación óptica inalámbrica ofrece un gran ancho de banda, pero enfrenta desafíos debido a las regulaciones de seguridad y problemas de ruido. La comunicación de terahercios podría proporcionar velocidades de datos increíblemente rápidas para aplicaciones cotidianas, incluso aquellas a escala de chip, como los microprocesadores integrados.

La informática moderna depende en gran medida de procesadores multinúcleo: dispositivos en miniatura que contienen múltiples unidades de procesamiento. Últimamente, los fabricantes han mejorado el rendimiento añadiendo más unidades de procesamiento y reduciendo el tamaño de los sistemas de chips. Esto ha llevado a un aumento significativo en el número de piezas informáticas individuales en un espacio pequeño, haciendo que las conexiones entre ellas sean más complejas. Sin embargo, las formas convencionales de conectar estas piezas son ineficientes y pueden ralentizar el sistema.

Para afrontar este desafío surge una solución interesante: utilizar métodos de comunicación inalámbrica que operen en el rango de los terahercios. Estos métodos pueden establecer conexiones inalámbricas rápidas y eficientes entre los distintos componentes del sistema. Sin embargo, la implementación efectiva de estas tecnologías requiere la integración de diferentes componentes de procesamiento de señales en el extremo receptor del sistema. Esto implica las tareas cruciales de detectar y decodificar información de la señal transmitida. Además, alinear la antena del receptor con la longitud de onda específica de la señal portadora de terahercios presenta una dificultad para hacer que el receptor sea compacto.

Como resultado, el enfoque actual a menudo resulta en receptores voluminosos, pesados ​​y poco confiables. Esta limitación ha llevado a los investigadores a centrarse en desarrollar tecnologías de receptores innovadoras que no sólo sean pequeñas y ligeras, sino que también consuman menos energía.

Nuestro equipo de investigación descubrió un marco teórico integral: un detector y demodulador de señales de terahercios a escala cuántica. Este enfoque innovador explora el comportamiento cuántico de los portadores de carga cuando se exponen a una conducción periódica intensa. Nuestros hallazgos han sido publicados en la revista. Física escrita.

En el ámbito de la física de la materia condensada, el uso de interacciones luz-materia para llevar materiales cuánticos a estados lejanos del equilibrio es clave para revelar nuevas fases cuánticas que permanecen inaccesibles en entornos de equilibrio. Entre los métodos comúnmente citados destaca la ingeniería Floquet. Esta técnica permite a los investigadores explorar muchos estados cuánticos nuevos que surgen cuando un sistema se somete a una radiación fuerte y periódica. [^{1, 2, 3}].

Gracias a la ingeniería de Floquet, hemos demostrado que la conductividad de un pozo cuántico semiconductor bidimensional se relaciona linealmente con la frecuencia de la radiación aplicada dentro de un rango específico. La base de nuestros hallazgos radica en el conocimiento de que someter un semiconductor bidimensional a activación periódica aumenta su conductividad eléctrica.

Esta mejora se produce debido a la alteración de las funciones de onda de los electrones por el campo aplicado, dando como resultado una reducción en la probabilidad de dispersión de impurezas electrónicas. [⁴]. Este descubrimiento allana el camino para un receptor cuántico inalámbrico construido para detectar y clasificar datos inalámbricos de frecuencia modulada a la escala más pequeña.

Aprovechando este avance, realizamos simulaciones numéricas que muestran la viabilidad de crear un demodulador cuántico de frecuencia inalámbrico que funcione en el rango de terahercios para comunicaciones inalámbricas de corto alcance. Nuestra investigación introduce un nuevo enfoque para recibir y decodificar señales moduladas digitalmente que abarcan el espectro de terahercios, logrado mediante el uso de un pozo cuántico semiconductor de unos pocos nanómetros de espesor basado en la heteroestructura de GaAs/AlGaAs.

Los resultados de nuestra investigación revelan un ámbito desconocido de posibilidades extraordinarias que podrían transformar la tecnología de comunicación inalámbrica a escala de chip. Con el potencial de una mayor eficiencia y un diseño optimizado, nuestros hallazgos presentan posibilidades para dispositivos, circuitos y elementos inalámbricos de próxima generación. Este avance abre la puerta a un espectro diverso de aplicaciones, que abarca avances en comunicación inalámbrica, radar y tecnología cuántica.

Esta historia es parte Diálogo Ciencia Xdonde los investigadores pueden informar los resultados de sus artículos de investigación publicados. visita esta pagina para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.

Kosala Herath es candidato a doctorado y miembro del Laboratorio de Simulaciones y Computación Avanzada (qdresearch.net) en Ingeniería de Sistemas Informáticos y Eléctricos de la Universidad de Monash, Australia.

El profesor Ampalavanapillai Nirmalathas es actualmente vicerrector de Investigación de la Facultad de Ingeniería y Tecnología de la Información, líder del Laboratorio de Innovación Inalámbrica (WILAB) y profesor de Ingeniería Eléctrica y Electrónica.

Sarath D. Gunapala es físico del estado sólido y científico investigador senior en el Jet Propulsion Laboratory (JPL) del Instituto de Tecnología de California en Pasadena, CA. Dirige el Grupo de Fotónica Infrarroja del Laboratorio de Propulsión a Chorro.

Malin Premaratne obtuvo varios títulos de la Universidad de Melbourne, incluido un B.Sc. en Matemáticas, Licenciatura en Ingeniería Eléctrica y Electrónica (con Honores de Primera Clase) y Doctorado en 1995, 1995 y 1998 respectivamente. Actualmente se desempeña como vicepresidente de la junta académica de Monash Universi.