Óptica cuántica en un chip
Los fotones ofrecen una forma prometedora de aprovechar fenómenos cuánticos porque no poseen un acoplamiento intenso con el mundo exterior. Los cuantos de luz disponen de muchos grados de libertad (frecuencia, momento lineal, espín y momento angular orbital) sobre los cuales se pueden implementar, procesar y medir bits cuánticos de forma relativamente simple. Basándose en la extensa bibliografía que muestra la forma de «domar» los fotones, unos investigadores se propusieron avanzar en los sistemas de óptica cuántica hacia una plataforma fotónica de escala adaptable. La finalidad del proyecto QUANPHOCHIP (Quantum photonic chip), financiado con fondos europeos, era integrar sistemas ópticos cuánticos (como guías de onda y acopladores direccionales para manipular cubits fotónicos) en un chip de estado sólido. Los chips a base de silicio eran la elección natural por varios motivos. En primer lugar, es posible crear dispositivos fotónicos a base de silicio utilizando técnicas de circuitos CMOS (metal-óxido-semiconductor complementario) bien establecidas y de uso comercial. En segundo lugar, la integración con microelectronica basada en CMOS permite añadir la electrónica de gestión y control en un mismo chip, lo cual reduce la complejidad del encapsulado y el coste. En tercer lugar, la compatibilidad del silicio con materiales exóticos (como los superconductores) permite integrar detectores de un solo fotón de calidad extraordinaria en un chip, lo cual permite una interacción no lineal inducida por la medición entre fotones únicos. El equipo de QUANPHOCHIP empleó fotónica de silicio para demostrar mediciones sin interacción en un chip, lo cual ya se había conseguido con la óptica masiva tradicional. Aprovecharon la capacidad de un fotón único para mostrar las propiedades de una onda y también de una partícula. En una medición sin interacción, puede seguir una de las dos trayectorias posibles en un interferómetro pero también las dos. Si se coloca un objeto en una de las trayectorias, las partículas cuánticas siguen otra trayectoria para evitar la interacción. A fin de poner en práctica esta idea, los investigadores fabricaron cuidadosamente acopladores direccionales con ratios de división adecuadas que actuasen como interferómetros. Este dispositivo aprovecha la dualidad onda-partícula reconociendo cuándo se está evitando una trayectoria y percibiendo la presencia del objeto sin verlo. Esta interferencia por trayectorias múltiples se puede reconocer con una visibilidad superior al 98 %. Antes de que finalizase el proyecto QUANPHOCHIP, sus investigadores también consiguieron combinar la interferencia cuántica con la detección de un fotón único en un chip de silicio. Los chips de estas características, con elementos de generación, manipulación y detección de fotones únicos, harán realidad la posibilidad anhelada de acelerar de manera exponencial ciertas clases de computaciones.
Palabras clave
Óptica cuántica, ordenador cuántico, fotones, QUANPHOCHIP, chip de estado sólido
