La Internet moderna se basa en la capacidad de los datos de viajar largas distancias sin pérdidas, y la mejor manera de lograrlo es mediante el uso de fotones, unidades individuales de luz.
Los fotones son muy estables, lo que los hace ideales para transmitir información cuántica a largas distancias, un proceso que requiere mantener un delicado estado de entrelazamiento durante largos períodos de tiempo. Estos fotones se pueden producir de diversas formas, incluido el uso de defectos cuánticos a escala atómica en cristales para generar fotones individuales en un estado cuántico bien definido.
Décadas de optimización han dado como resultado cables de fibra óptica capaces de transmitir fotones con pérdidas extremadamente bajas, pero sólo para luz en un rango estrecho de longitudes de onda conocido como “banda de longitud de onda de telecomunicaciones”. Identificar los defectos cuánticos que producen fotones en estas longitudes de onda ha resultado un desafío.
Sin embargo, investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de California en Santa Bárbara, financiados por el Departamento de Energía de Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencias, han arrojado luz sobre el problema.
En un artículo publicado en la revista APL Photonics, los autores describieron sus hallazgos sobre el papel de las vibraciones atómicas en el proceso de emisión de fotones y cómo las diferentes propiedades de los defectos afectan la eficiencia de la emisión.
“Los átomos vibran constantemente y estas vibraciones pueden quitarle energía al emisor de luz, reduciendo la eficiencia de la emisión de fotones”, explica Chris Van de Walle, profesor de ciencia de materiales de la UCSB.
El modelo desarrollado por el grupo de Van de Walle muestra por qué la eficiencia de la radiación monofotónica cae drásticamente cuando se pasa de longitudes de onda de luz visible a longitudes de onda infrarrojas en el rango de las telecomunicaciones.
Los investigadores han descubierto que las vibraciones atómicas pueden drenar energía del emisor de luz, lo que reduce la eficiencia de la emisión de fotones. También descubrieron que la eficiencia de la emisión de fotones depende de diversas propiedades de los defectos, como su estructura electrónica y su interacción con el medio ambiente.
Para superar la baja eficiencia, los investigadores proponen dos métodos prometedores: una cuidadosa selección del material de partida y la ingeniería a escala atómica de las propiedades de vibración.
También están estudiando el acoplamiento de emisores cuánticos a una cavidad fotónica, utilizando la experiencia del profesor de ingeniería informática Galan Moody y el estudiante graduado Kamyar Partho. Este enfoque puede ayudar a aumentar la eficiencia de la emisión de fotones al mejorar la interacción entre el emisor cuántico y la cavidad fotónica.
El equipo espera que su modelo y los conocimientos adquiridos ayuden en el desarrollo de nuevos emisores cuánticos que alimentarán las redes cuánticas del futuro.
Este trabajo tiene implicaciones importantes para el desarrollo de las comunicaciones cuánticas y la creación de una Internet más segura y rápida. Los investigadores también señalan que su modelo se puede utilizar para predecir la eficiencia de la emisión de fotones para diferentes tipos de defectos y materiales cuánticos, lo que podría acelerar el desarrollo de emisores cuánticos eficientes.