La fotónica de silicio, el camino hacia aplicaciones cuánticas a gran escala

En un importante avance para la tecnología cuántica, los investigadores han logrado un hito en el aprovechamiento de la dimensión de frecuencia dentro de la fotónica integrada. Este avance no solo promete progresos en la computación cuántica, sino que también sienta las bases para redes de comunicaciones ultraseguras.

La fotónica integrada, la manipulación de la luz dentro de pequeños circuitos en chips de silicio, ha sido durante mucho tiempo una promesa para las aplicaciones cuánticas debido a su escalabilidad y compatibilidad con la infraestructura de telecomunicaciones existente.

En un estudio publicado en Advanced Photonics, investigadores del Centro de Nanociencias y Nanotecnología (C2N), Télécom Paris y STMicroelectronics (STM) han superado las limitaciones anteriores desarrollando resonadores de anillo de silicio con un tamaño de huella de menos de 0.05 mm² capaces de generar más de 70 canales de frecuencia distintos espaciados 21 GHz. Esto permite la paralelización y el control independiente de 34 puertas de qubit único utilizando solo tres dispositivos electroópticos estándar. El dispositivo puede generar de manera eficiente pares de fotones enredados en frecuencia que son fácilmente manipulables, componentes críticos en la construcción de redes cuánticas.

La innovación clave radica en su capacidad para explotar estas separaciones de frecuencia estrechas para crear y controlar estados cuánticos. Usando resonadores de anillo integrados, generaron con éxito estados enredados en frecuencia a través de un proceso conocido como mezcla de cuatro ondas espontánea. Esta técnica permite que los fotones interactúen y se enreden, una capacidad crucial para construir circuitos cuánticos.

Lo que diferencia a esta investigación es su practicidad y escalabilidad. Al aprovechar el control preciso que ofrecen sus resonadores de silicio, los investigadores demostraron la operación simultánea de 34 puertas de qubit único utilizando solo tres dispositivos electroópticos comerciales. Este avance permite la creación de redes cuánticas complejas donde múltiples qubits se pueden manipular de forma independiente y en paralelo.

Para validar su enfoque, el equipo realizó experimentos en el C2N, mostrando la tomografía del estado cuántico en 17 pares de qubits máximamente enredados a través de diferentes contenedores de frecuencia. Esta caracterización detallada confirmó la fidelidad y la coherencia de sus estados cuánticos, marcando un paso significativo hacia la computación cuántica práctica.

Quizás lo más notable es que los investigadores lograron un hito en la creación de redes estableciendo lo que creen que es la primera red cuántica de cinco usuarios totalmente conectada en el dominio de la frecuencia. Este logro abre nuevas vías para los protocolos de comunicación cuántica, que dependen de la transmisión segura de información codificada en estados cuánticos.

De cara al futuro, esta investigación no solo muestra el poder de la fotónica de silicio para impulsar las tecnologías cuánticas, sino que también allana el camino para futuras aplicaciones en la computación cuántica y las comunicaciones seguras. Con los avances continuos, estas plataformas de fotónica integrada podrían revolucionar las industrias que dependen de la transmisión segura de datos, ofreciendo niveles sin precedentes de potencia computacional y seguridad de datos.

El autor correspondiente, el Dr. Antoine Henry, de C2N y Télécom Paris, comenta: “Nuestro trabajo destaca cómo la frecuencia binaria se puede aprovechar para aplicaciones a gran escala en información cuántica. Creemos que ofrece perspectivas para arquitecturas de dominio de frecuencia escalables para comunicaciones cuánticas de alta dimensión y eficientes en recursos”. Henry observa que los fotones individuales en longitudes de onda de telecomunicaciones son ideales para aplicaciones del mundo real que aprovechan las redes de fibra óptica existentes. La fotónica integrada permite la miniaturización, la estabilidad y la escalabilidad/ el potencial para una mayor complejidad de los dispositivos, y por lo tanto, la generación de pares de fotones eficiente y personalizada para implementar redes cuánticas con codificación de frecuencia en longitud de onda de telecomunicaciones.

Las implicaciones de esta investigación son vastas. Al aprovechar la dimensión de frecuencia en la fotónica integrada, los investigadores han desbloqueado ventajas clave que incluyen escalabilidad, resistencia al ruido, paralelización y compatibilidad con las técnicas existentes de multiplexación de telecomunicaciones. A medida que el mundo se acerca a la realización del potencial total de las tecnologías cuánticas, este hito reportado por los investigadores de C2N, Telecom Paris y STM sirve como un faro, guiando el camino hacia un futuro donde las redes cuánticas ofrezcan una comunicación segura.

Para obtener más información, consulte el artículo original de acceso abierto de oro de A. Henry et al., “Paralelismo de puertas cuánticas de dominio de frecuencia: manipulación y distribución de pares de fotones enredados en frecuencia generados por un microresonador de silicio de 21 GHz”, Adv. Photonics 6(3) 036003 (2024), doi 10.1117/1.AP.6.3.036003.