20 October, 2019
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Hacia los chips cuánticos: empaquetado de detectores de fotón único en un chip óptico crucial para los circuitos de computación cuántica

Un equipo de investigadores ha construido un módulo de detectores de luz lo suficientemente sensible para registrar la llegada de partículas de luz individuales, o fotones, y lo ha montado en un chip fotónico de silicio. Estos módulos son componentes cruciales para los dispositivos que se sirven de fotones para realizar cálculos cuánticos.

La fotografía de portada corresponde a un chip construido por D-Wave Systems Inc., montado y unido por hilo en un soporte de muestra. El procesador de D-Wave está diseñado para utilizar 128 elementos lógicos superconductores que exhiben acoplamiento controlable y ajustable para realizar operaciones.

Los detectores de fotón único son muy temperamentales: De 100 depositados en un chip utilizando técnicas de fabricación estándar, generalmente sólo un puñado funciona. En un artículo publicado en Nature Communications, los investigadores del MIT  y de otras organizaciones describen un procedimiento para la fabricación y prueba de los detectores de luz por separado para luego transferir los que funcionan a un chip óptico construido utilizando procesos de fabricación estándar.

Además de producir módulos mucho más densos y de mayor tamaño, la sensibilidad de los detectores también aumenta con este nuevo enfoque. En los experimentos, los investigadores hallaron que sus detectores de luz tenían hasta 100 veces más probabilidades de registrar con precisión la llegada de un fotón único que los módulos  anteriores.

«Hacemos ambas partes – los detectores de luz y el chip fotónico – a través de su mejor proceso de fabricación, que es especializado, y luego ambos se unen», explica Faraz Najafi, un estudiante graduado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación del  MIT y autor principal de este nuevo trabajo.

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Uno de los nuevos detectores de fotones de los investigadores, depositado de través un canal de luz – o «guía de ondas» (banda negra horizontal) – en un chip óptico de silicio. Imagen cortesía de Nature Communications

 

Pensar a pequeña escala

De acuerdo con la mecánica cuántica, las partículas físicas diminutas son, aunque parezca contrario al sentido común, capaces de habitar estados mutuamente excluyentes. Un elemento computacional creado a partir de tal partícula – conocido como un bit cuántico o qubit – puede por lo tanto representar cero y uno al mismo tiempo. Si varios qubits se «enredan», (“entanglement”) lo que significa que sus estados cuánticos dependen unos de otros, entonces un solo cálculo cuántico está, en cierto sentido, realizando muchos cálculos en paralelo.

detectores de luz- fotón único- chips cuánticos-chip fotónico-computación cuántica- qbit- ópticos-fotones-chip ópticoCon la mayoría de las partículas, el enredo es difícil de mantener, sin embargo  con los fotones es relativamente fácil. Por esa razón, los sistemas ópticos proporcionan un enfoque prometedor para la computación cuántica. Cualquier ordenador cuántico – es decir, aquel cuyos qubits son iones atrapados en láser o átomos de nitrógeno incrustados en diamantes – se seguiría beneficiando del uso de fotones enredados para mover la información cuántica. «Porque en definitiva uno querrá hacer estos procesadores ópticos con tal vez decenas o cientos de qubits fotónicos pero esto se hace difícil de manejar usando componentes ópticos tradicionales», dice Dirk Englund, el Profesor Asistente del Programa Jamieson de Desarrollo de Carrera en Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en el MIT y co-autor del nuevo trabajo. «No es sólo difícil de manejar, pero probablemente imposible, porque si se intentase construir sobre una tabla óptica grande, simplemente el movimiento aleatorio de la tabla podría causar ruido en estos estados ópticos. Así que se ha realizado un esfuerzo para miniaturizar estos circuitos ópticos en circuitos integrados fotónicos».

El proyecto es fruto de la colaboración entre el grupo de Englund y el Grupo de Nanoestructuras y Nanofabricación Cuántica, que está dirigido por Karl Berggren, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, y de la que Najafi es miembro. A los investigadores del MIT también se unieron otros colegas de IBM y del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA.

 

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Ilustración de detectores superconductores en guías de onda dispuestos en un circuito integrado fotónico para la detección de fotones individuales. Crédito: F. Najafi / MIT

 

Procedimiento

El proceso de los investigadores se inicia con un chip óptico de silicio realizado utilizando técnicas de fabricación convencionales. En un chip de silicio separado, hacen crecer una película delgada, flexible de nitruro de silicio, sobre la cual se depositan el nitruro de niobio superconductor utilizando un patrón útil para la detección de fotones. En ambos extremos del detector resultante, depositan electrodos de oro.

Entonces, a un extremo de la película de nitruro de silicio, añaden una pequeña gota de polidimetilsiloxano, un tipo de silicona. A continuación, pulsan una sonda de tungsteno, generalmente utilizada para medir los voltajes en los chips experimentales, contra la silicona. Con la sonda de tungsteno, los investigadores pelan la película fina de su sustrato y lo unen al chip óptico.

En los módulos anteriores, los detectores registraban sólo 0,2 por ciento de los fotones individuales dirigidos a ellos. Incluso los detectores depositados individualmente en chip han llegado históricamente al tope del 2 por ciento. Pero los detectores en el nuevo chip de los investigadores llegaron hasta el 20 por ciento. Eso se aleja todavía demasiado del 90 por ciento o más que se requiere para un circuito cuántico práctico, pero es un gran paso en la dirección correcta.

Fuente:

Este artículo está basado en  el material proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts. El artículo original fue escrito por Larry Hardesty.

Referencia:

  1. Ethan A. Englund, Deyun Wang, Hidetsugu Fujigaki, Hiroyasu Sakai, Christopher M. Micklitsch, Rodolfo Ghirlando, Gema Martin-Manso, Michael L. Pendrak, David D. Roberts, Stewart R. Durell, Daniel H. Appella. Programmable multivalent display of receptor ligands using peptide nucleic acid nanoscaffoldsNature Communications, 2012; 3: 614 DOI: 1038/ncomms1629

 

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