Colaboraciones fotónicas: entrelazamientos cuánticos mejorados con disulfuro de molibdeno a nanoescala

MadridInvestigadores de Columbia Engineering han logrado un avance importante al crear pares de fotones, esenciales para las tecnologías cuánticas, utilizando un dispositivo más pequeño y eficiente energéticamente. Liderados por el Profesor Asociado P. James Schuck, el equipo ha desarrollado un método que emplea capas delgadas de un material de van der Waals llamado disulfuro de molibdeno. Este descubrimiento busca mejorar la base para la integración futura de dispositivos cuánticos en chips, aumentando la eficiencia energética y las capacidades.

Un innovador dispositivo, con un grosor de solo 3,4 micrómetros, podría transformar el diseño de los sistemas cuánticos. El equipo de investigadores logró apilar seis delgadas capas de cristales de disulfuro de molibdeno, rotando cada una 180 grados respecto a sus vecinas. Cuando la luz atraviesa estas capas, se genera un ajuste de fase cuasi adaptado, lo que permite la formación de pares de fotones esenciales para tecnologías de comunicación. Es la primera vez que se emplea este método en materiales de van der Waals para generar pares de fotones.

Las ventajas que presenta este nuevo método son:

• Incremento en la eficiencia al generar pares de fotones.
• Disminución de errores en comparación con métodos anteriores.
• Posibilidad de ahorrar significativamente energía.
• Compatibilidad con tecnologías integradas en chips.
• Usos en comunicación satelital y redes cuánticas móviles.

El éxito de esta investigación se basa en hallazgos previos del grupo. En 2022, identificaron limitaciones en el uso de disulfuro de molibdeno debido a la interferencia de las ondas de luz, un problema que ahora han solucionado. Mediante la ingeniosa disposición de la orientación cristalina, lograron generar pares de fotones de manera efectiva a escalas más pequeñas.

El objetivo principal de esta investigación, respaldada por el centro de investigación de frontera energética del Departamento de Energía en Columbia, es aprovechar el potencial de los materiales cuánticos. Con este avance, los investigadores de Columbia Engineering, como Chiara Trovatello y su equipo, han abierto el camino para sustituir los voluminosos cristales tradicionales por materiales más eficientes para futuras aplicaciones cuánticas.

Impacto de dispositivos a escala nanométrica

El impacto del nuevo dispositivo a nanoescala es importante en varios aspectos clave. Nos acerca a la integración de componentes cuánticos esenciales en sistemas compactos y energéticamente eficientes. Esta investigación representa un avance en la miniaturización de la tecnología necesaria para la comunicación y el procesamiento cuántico. Aquí te explicamos por qué esto es relevante:

• El dispositivo es compacto pero potente, lo que permite su integración en chips de silicio estándar.
• Aumenta la eficiencia energética, reduciendo los requerimientos de energía para las tecnologías cuánticas.
• La utilización de materiales van der Waals abre nuevas posibilidades para arquitecturas fotónicas cuánticas.

Imagina una tecnología futura que consuma menos energía y ofrezca comunicaciones más rápidas y confiables. Este dispositivo anuncia el potencial para tales avances. Al reducir el tamaño del sistema necesario para generar pares de fotones entrelazados, hace que la tecnología cuántica sea más práctica y fácil de implementar. Esto permite un uso más amplio, desde mejorar la infraestructura de telecomunicaciones hasta avanzar en la comunicación cuántica segura para dispositivos móviles y satélites.

El uso de materiales van der Waals como el disulfuro de molibdeno representa una innovación de vanguardia. Al intercalar estos materiales de manera estratégica, gestionan la luz con alta eficiencia y mínima equivocación. Esto disminuye las desalineaciones en el emparejamiento de fotones, lo que resulta en una mayor consistencia. Tal fiabilidad es esencial para que las tecnologías futuras funcionen sin contratiempos y con efectividad.

Las implicaciones van más allá de simplemente hacer las cosas más pequeñas y eficientes. También abarcan la expansión de las tecnologías mejoradas por la mecánica cuántica hacia aplicaciones más generalizadas. Industrias que dependen de tecnologías ópticas precisas, como la aeroespacial y las telecomunicaciones, se beneficiarán enormemente. Este avance es un paso hacia tecnologías cuánticas prácticas que pueden integrarse en infraestructuras existentes y nuevas. A medida que continuamos aprovechando estos desarrollos, el panorama de las comunicaciones veloces y seguras evolucionará rápidamente. Estos avances proporcionarán los elementos fundamentales necesarios para el próximo capítulo en la era de la ingeniería cuántica.

Aplicaciones cuánticas futuras

Los avances en la creación de pares de fotones entrelazados utilizando nanomateriales están marcando el inicio de una nueva era en la tecnología cuántica. Estas mejoras ofrecen un adelanto de lo que es posible a medida que las aplicaciones cuánticas se expanden más allá de sus limitaciones actuales. La integración de dispositivos cuánticos de pequeña escala y altamente eficientes abre emocionantes posibilidades. Aquí algunos posibles usos:

• Mejoras en telecomunicaciones con tasas de transferencia de datos más rápidas
• Mayor seguridad en la encriptación gracias a la comunicación cuántica avanzada
• Desarrollo de equipos de laboratorio más sensibles
• Computación cuántica eficiente con menor consumo de energía
• Ampliación de redes de comunicación vía satélite

La facilidad de integrar esta nueva tecnología en chips de silicio ya existentes supone que los dispositivos serán no solo más potentes, sino también más eficientes en el uso de energía. Esto se alinea con la tendencia de la industria hacia tecnologías más ecológicas. Además, la capacidad de generar fotones entrelazados de manera confiable en una escala tan pequeña sienta las bases para una adopción generalizada en varios sectores. La comunicación cuántica, por ejemplo, se transformará radicalmente con esta innovación. Tecnologías emergentes como la encriptación cuántica ofrecerán niveles de seguridad sin precedentes, protegiendo los datos de una manera que los métodos tradicionales no pueden igualar.

Además, la alta eficiencia y las tasas de error reducidas de este método minimizan los desafíos que enfrentan los sistemas más grandes y voluminosos. Ahora es posible imaginar plataformas de computación cuántica que sean compactas y capaces de realizar tareas con las que las computadoras clásicas tienen dificultades, como resolver simulaciones y cálculos complejos.

A medida que los investigadores perfeccionan esta tecnología, los dispositivos resultantes podrían convertirse en la columna vertebral de las redes cuánticas del futuro. Estas innovaciones amplían el horizonte de lo que es posible tanto en la electrónica de consumo como en las aplicaciones industriales a gran escala. La transición de configuraciones voluminosas a soluciones integradas en chip refleja una tendencia más amplia en la tecnología: hacer las cosas más pequeñas, rápidas y eficientes. Al borde de este salto cuántico, el futuro promete avances transformadores en cómo nos comunicamos, procesamos información y protegemos datos.