En un futuro muy cercano, se espera que las computadoras cuánticas revolucionen la forma en que computamos, con nuevos enfoques para búsquedas en bases de datos, sistemas de IA, simulaciones y más. Pero para lograr aplicaciones de tecnología cuántica tan novedosas, se necesitan circuitos integrados fotónicos que puedan controlar de manera efectiva los estados cuánticos fotónicos, los llamados qubits. Físicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden y Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) han hecho un gran avance en este esfuerzo : por primera vez, demostraron la creación controlada de emisores de fotones individuales en silicio en la nanoescala, como informan en Nature Communications.

Los circuitos integrados fotónicos, o en resumen, los PIC, utilizan partículas de luz, más conocidas como fotones, a diferencia de los electrones que se ejecutan en los circuitos integrados electrónicos. La principal diferencia entre los dos: un circuito integrado fotónico proporciona funciones para señales de información impuestas en longitudes de onda ópticas típicamente en el espectro infrarrojo cercano. « En realidad, estos PIC con muchos componentes fotónicos integrados pueden generar, enrutar, procesar y detectar luz en un solo chip », dice el Dr. Georgy Astakhov, director de Quantum Technologies en el Instituto de Investigación de Materiales y Física de Haz de Iones de HZDR, y agrega : « Esta modalidad está preparada para desempeñar un papel clave en la próxima tecnología futura, como la computación cuántica. Y los PIC liderarán el camino ».

Antes, los experimentos de fotónica cuántica eran notorios por el uso masivo de « óptica a granel » distribuida por la mesa óptica y ocupando todo el laboratorio. Ahora, los chips fotónicos están cambiando radicalmente este panorama. La miniaturización, la estabilidad y la idoneidad para la producción en masa podrían convertirlos en el caballo de batalla de la fotónica cuántica moderna.

Del modo aleatorio al modo de control

La integración monolítica de fuentes de fotones individuales de forma controlable brindaría una ruta eficiente en recursos para implementar millones de qubits fotónicos en PIC. Para ejecutar protocolos de computación cuántica, estos fotones deben ser indistinguibles. Con esto, la producción de procesadores cuánticos fotónicos a escala industrial sería factible.

Sin embargo, el método de fabricación actualmente establecido se interpone en el camino de la compatibilidad de este concepto prometedor con la tecnología de semiconductores actual.

En un primer intento del que se informó hace unos dos años, los investigadores ya pudieron generar fotones individuales en una oblea de silicio, pero solo de forma aleatoria y no escalable. Desde entonces, han llegado lejos. « Ahora, mostramos cómo los haces de iones enfocados de fuentes de iones de aleación de metal líquido se utilizan para colocar emisores de un solo fotón en las posiciones deseadas en la oblea mientras se obtiene un alto rendimiento de creación y una alta calidad espectral », dice el Dr. Nico Klingner, físico.

Además, los científicos de HZDR sometieron los mismos emisores de fotones individuales a un riguroso programa de prueba de materiales: después de varios ciclos de enfriamiento y calentamiento, no observaron ninguna degradación de sus propiedades ópticas. Estos hallazgos cumplen las condiciones previas requeridas para la producción en masa más adelante.

Para traducir este logro en una tecnología generalizada y permitir la ingeniería a escala de oblea de emisores de fotones individuales a escala atómica compatible con la fabricación de fundición establecida, el equipo implementó la implantación de haz ancho en un implantador comercial a través de una máscara definida litográficamente. « Este trabajo realmente nos permitió aprovechar las máquinas de litografía por haz de electrones y de sala limpia de procesamiento de silicio de última generación en las instalaciones de Nano Fabricación de Rossendorf », explica el Dr. Ciarán Fowley, líder del grupo de sala limpia y director de Nanofabricación y análisis.

Usando ambos métodos, el equipo puede crear docenas de emisores de un solo fotón de telecomunicaciones en ubicaciones predefinidas con una precisión espacial de aproximadamente 50 nm. Emiten en la banda O de telecomunicaciones estratégicamente importante y exhiben un funcionamiento estable durante días bajo excitación de onda continua.

Los científicos están convencidos de que la realización de la fabricación controlable de emisores de un solo fotón en silicio los convierte en un candidato muy prometedor para las tecnologías cuánticas fotónicas, con una vía de fabricación compatible con la integración a muy gran escala. Estos emisores de un solo fotón ahora están tecnológicamente listos para la producción en fábricas de semiconductores y su incorporación a la infraestructura de telecomunicaciones existente.