Un estudio reciente de la Universidad Hebrea ha logrado un avance significativo en la integración de fuentes de fotón único en pequeños chips a temperatura ambiente, lo que representa un importante paso adelante en la fotónica cuántica con potencial para aplicaciones como la computación cuántica y la criptografía.
Un estudio reciente, encabezado por Boaz Lubotzky durante su investigación de doctorado, junto con el profesor Ronen Rapaport del Instituto de Física Racah de la Universidad Hebrea de Jerusalem, en colaboración con equipos del Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) en los EE. UU. y de la Universidad de Ulm en Alemania, reveló un avance significativo hacia la integración en chip de fuentes de fotón único a temperatura ambiente.
Este logro representa un importante paso adelante en el campo de la fotónica cuántica y es prometedor para diversas aplicaciones, como la computación cuántica, la criptografía y la detección.
La innovación clave radica en la implementación de una antena híbrida de ojo de buey metal-dieléctrico, que ofrece una direccionalidad de fotones excepcional. Este novedoso diseño de antena permite la retroexcitación eficiente de los fotones colocando el emisor dentro de un orificio de sublongitud de onda situado en el centro de la antena. Esta configuración permite tanto la retroexcitación directa como el acoplamiento frontal altamente eficiente de la emisión a ópticas de baja apertura numérica o fibras ópticas.
El estudio demuestra la versatilidad de este concepto mediante la fabricación de dispositivos que contienen puntos cuánticos coloidales o nanodiamantes que contienen centros de vacantes de silicio, ambos son excelentes emisores de fotones individuales incluso a temperatura ambiente. Estos emisores se posicionaron con precisión utilizando dos métodos de nanoposicionamiento distintos.
Sorprendentemente, ambos tipos de dispositivos retroexcitados exhibieron eficiencias de recolección frontal de aproximadamente el 70% en aperturas numéricas tan bajas como 0,5. Esto significa que se pueden utilizar elementos ópticos muy simples y compactos y aún así recoger la mayoría de los fotones en el canal deseado, o enviar con precisión los fotones emitidos a una fibra óptica cercana sin necesidad de ninguna óptica de acoplamiento adicional.
Este es un ingrediente clave en la integración de fuentes de luz cuánticas en sistemas cuánticos reales.
Este proceso simplificado promete simplificar los futuros esfuerzos de integración y acelerar la realización de dispositivos fotónicos cuánticos prácticos.
Boaz Lubotzky comentó sobre la importancia de este logro, afirmando: “Al superar los desafíos clave asociados con la integración en chip de fuentes de fotón único, hemos abierto nuevas y emocionantes posibilidades para el desarrollo de tecnologías cuánticas avanzadas”.
La integración exitosa de fuentes de fotón único en pequeños chips a temperatura ambiente, lograda mediante el uso innovador de una antena híbrida de ojo de buey dieléctrica y metal, tiene aplicaciones inmediatas en el avance de la criptografía cuántica para una comunicación segura, la mejora de las tecnologías de detección y la racionalización del proceso de integración de dispositivos fotónicos cuánticos prácticos.
Los hallazgos del estudio abren las puertas para aplicaciones comerciales y el desarrollo de nuevos productos en el floreciente campo de las tecnologías cuánticas.
El artículo de investigación titulado “Room-Temperature Fiber-Coupled Single-Photon Sources based on Colloidal Quantum Dots and SiV Centers in Back-Excited Nanoantennas”, ya está disponible en Nano Letters.
Investigadores
Boaz Lubotzky1 , Alexander Nazarov 1,2 , Hamza Abudaiah1, Lukas Antoniuk3, Niklas Lettner3,4, Viatcheslav Agafonov5, Anastasia V. Bennett6 , Somak Majumder6, Vigneswaran Chandrasekaran6 , Eric G. Bowes6 , Han Huttoon6 , Jennifer A. Hollingsworth6 , Alexander Kubanek3,4 y Ronen Rapaport1,2.
Instituciones:
1) Instituto de Física Racah, Universidad Hebrea de Jerusalem.
2) Centro de Nanociencia y Nanotecnología, Universidad Hebrea de Jerusalem.
3) Instituto de Óptica Cuántica, Universidad de Ulm.
4) Centro de Ciencia y Tecnología Cuántica Integrada (IQst), Universidad de Ulm.
5) GREMAN, UMR 7347 CNRS, INSA-CVL, Universidad de Tours.
6) División de Física de Materiales y Aplicaciones: Centro de Nanotecnologías Integradas, Laboratorio Nacional de Los Álamos.
