Integrated on-chip quantum light sources on a van der Waals platform

El sueño de construir una computadora cuántica que pueda resolver problemas más allá del alcance de las máquinas actuales a menudo depende de un único y obstinado desafío: cómo lograr que diminutas partículas de luz, llamadas fotones, interactúen entre sí en un chip único y diminuto. En el mundo de la información cuántica, estos fotones actúan como mensajeros, transportando datos delicados a través de circuitos. Para que esto funcione a gran escala, los científicos necesitan una plataforma donde las fuentes de luz que crean los fotones, los canales que los guían y los detectores que los captan estén hechos de materiales compatibles y construidos juntos en un mismo lugar. Durante años, los investigadores han intentado ensamblar estas piezas utilizando diferentes materiales, como el silicio para los canales y semiconductores especiales para las fuentes de luz, pero forzar a estos diferentes materiales a trabajar juntos es como intentar pegar vidrio a caucho; el proceso es frágil, complejo y difícil de escalar. Un camino más prometedor reside en el uso de una familia de materiales conocidos como materiales de van der Waals, que están hechos de láminas atómicamente delgadas que pueden apilarse como bloques de Lego sin necesidad de una unión química agresiva, ofreciendo una forma más limpia de construir estos circuitos integrados.

En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca han dado un paso significativo hacia este objetivo al construir con éxito una fuente de luz cuántica funcional compuesta enteramente por estos materiales delgados y apilables. Crearon un dispositivo donde un tipo específico de cristal atómicamente delgado, hecho de diselenuro de tungsteno, actúa como una fábrica de fotones individuales. Este cristal se colocó directamente sobre una guía de ondas, que es un canal microscópico hecho de otro cristal llamado disulfuro de tungsteno, diseñado para capturar la luz y guiarla a lo largo de un camino. Para extraer la luz de este diminuto canal y llevarla a un instrumento de medición, grabaron una serie de anillos concéntricos diminutos en el canal, que actúan como una rejilla que dispersa la luz hacia arriba. El resultado es un sistema completamente integrado donde la luz se genera, se guía y se extrae, todo en un solo chip hecho de estos dos materiales dimensionales.

Los investigadores se centraron en un truco específico para hacer que la fuente de luz fuera más brillante y limpia. En lugar de golpear el cristal con un espectro amplio de luz, utilizaron un láser muy preciso ajustado a un nivel de energía específico justo por debajo del punto donde el material normalmente absorbería la luz. Este método, conocido como excitación de estado discreto, les permitió activar la emisión de fotones individuales evitando el brillo de fondo ruidoso que suele acompañar a otros métodos. Cuando probaron la luz que salía del dispositivo, encontraron que era increíblemente pura. En el mundo de la física cuántica, la pureza se mide por la frecuencia con la que un detector ve dos fotones llegando exactamente al mismo tiempo; para una verdadera fuente de fotón único, esto casi nunca debería suceder. El equipo midió este valor y resultó ser extremadamente cercano a cero, lo que indica que el dispositivo estaba emitiendo con éxito un fotón a la vez con una fiabilidad muy alta.

Para demostrar que la luz viajaba efectivamente a través de la guía de ondas y no simplemente se filtraba de forma aleatoria, los investigadores configuraron una prueba ingeniosa. Recolectaron la luz de ambos extremos del canal microscópico simultáneamente. Al comparar las corrientes de fotones que llegaban a cada extremo, pudieron confirmar que la luz se estaba guiando eficientemente a través del chip. Esta medición de dos lados mostró que los fotones se estaban dividiendo entre los dos extremos del canal, con un número significativo de fotones llegando a los detectores. Calcularon que el dispositivo era capaz de enviar cientos de miles de fotones individuales cada segundo, una tasa que, al ajustarse por las pérdidas en el sistema, sugiere que la fuente está generando millones de fotones por segundo dentro de la guía de ondas. Este nivel de brillo y eficiencia es una mejora importante respecto a intentos previos utilizando materiales similares.

Una parte clave de su éxito fue la forma en que apilaron los materiales. Colocaron una capa delgada de un material llamado nitruro de boro hexagonal entre la fuente de luz y la guía de ondas. Esta capa actuó como un espaciador protector, evitando que el delicado cristal emisor de luz se agrietara al ser colocado sobre la guía de ondas, permitiendo al mismo tiempo que la luz se acoplara eficientemente en el canal. Sin este espaciador, los cristales tendían a fracturarse, arruinando el dispositivo. El equipo también descubrió que la luz que salía estaba altamente polarizada, lo que significa que las ondas de luz vibraban en una dirección específica, una característica útil para controlar cómo se comporta la luz en futuros circuitos.

El estudio no pretende haber resuelto todos los problemas de la computación cuántica, pero demuestra que se puede construir una fuente de luz cuántica completa y funcional utilizando únicamente estos materiales versátiles y delgados. Los investigadores demostraron que, mediante la ingeniería cuidadosa de las capas y la forma de la guía de ondas, podían superar las dificultades habituales de lograr que la luz pase de una fuente a un canal. También descartaron la idea de que la luz estuviera simplemente dispersándose de la superficie; las mediciones confirmaron que los fotones viajaban a través de los modos de la guía de ondas. Aunque el dispositivo actual es un prototipo, los resultados sugieren un camino claro a seguir. Al añadir más componentes, como detectores y filtros fabricados con la misma familia de materiales, los científicos podrían eventualmente construir circuitos cuánticos complejos que sean más fáciles de fabricar y más fiables que los sistemas híbridos actuales. Este trabajo establece que la plataforma de van der Waals es una base viable y poderosa para la próxima generación de tecnologías cuánticas.