Un invento ultradelgado podría hacer que las tecnologías futuras de computación, detección y encriptación sean notablemente más pequeñas y poderosas al ayudar a los científicos a controlar un fenómeno extraño pero útil de la mecánica cuántica, según una nueva investigación publicada recientemente en la revista Science.

Los científicos de los Laboratorios Nacionales Sandia y el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz han informado sobre un dispositivo que podría reemplazar una sala llena de equipos para vincular fotones en un extraño efecto cuántico llamado entrelazamiento. Este dispositivo, un tipo de material de nanoingeniería llamado metasuperficie, allana el camino para entrelazar fotones de formas complejas que no han sido posibles con tecnologías compactas.

Cuando los científicos dicen que los fotones están entrelazados, quieren decir que están vinculados de tal manera que las acciones de uno afectan al otro, sin importar dónde o qué tan separados estén los fotones en el universo. Es un efecto de la mecánica cuántica, las leyes de la física que gobiernan las partículas y otras cosas muy pequeñas.

Aunque el fenómeno puede parecer extraño, los científicos lo han aprovechado para procesar la información de nuevas formas. Por ejemplo, el entrelazamiento ayuda a proteger la información cuántica delicada y corregir errores en la computación cuántica, un campo que algún día podría tener un gran impacto en la seguridad nacional, la ciencia y las finanzas. El enredo también está habilitando nuevos métodos de encriptación avanzados para una comunicación segura.

La investigación para el innovador dispositivo, que es cien veces más delgado que una hoja de papel, se realizó, en parte, en el Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía operada por los laboratorios nacionales Sandia y Los Alamos. El equipo de Sandia recibió fondos de la Oficina de Ciencias, programa de Ciencias Energéticas Básicas.

Entra luz, salen fotones entrelazados

La nueva metasuperficie actúa como puerta de entrada a este inusual fenómeno cuántico. En cierto modo, es como el espejo de «A través del espejo» de Lewis Carrol, a través del cual la joven protagonista Alice experimenta un mundo nuevo y extraño.

En lugar de caminar a través de su nuevo dispositivo, los científicos lo atraviesan con un láser. El haz de luz atraviesa una muestra ultrafina de vidrio cubierta con estructuras a nanoescala hechas de un material semiconductor común llamado arseniuro de galio.

«Codifica todos los campos ópticos», dijo el científico senior de Sandia Igal Brener, experto en un campo llamado óptica no lineal que dirigió el equipo de Sandia. De vez en cuando, dijo, un par de fotones entrelazados en diferentes longitudes de onda emergen de la muestra en la misma dirección que el rayo láser entrante.

Brener dijo que está entusiasmado con este dispositivo porque está diseñado para producir redes complejas de fotones entrelazados, no solo un par a la vez, sino varios pares entrelazados, y algunos que pueden ser indistinguibles entre sí. Algunas tecnologías necesitan estas variedades complejas de los llamados entrelazamientos múltiples para esquemas sofisticados de procesamiento de información.

Otras tecnologías en miniatura basadas en la fotónica de silicio también pueden entrelazar fotones, pero sin el nivel tan necesario de entrelazamiento complejo y múltiple. Hasta ahora, la única forma de producir tales resultados era con múltiples mesas llenas de láseres, cristales especializados y otros equipos ópticos.

«Es bastante complicado y algo intratable cuando este enredo múltiple necesita más de dos o tres pares», dijo Brener. «Estas metasuperficies no lineales esencialmente logran esta tarea en una muestra cuando antes habría requerido configuraciones ópticas increíblemente complejas».

El artículo de Science describe cómo el equipo ajustó con éxito su metasuperficie para producir fotones entrelazados con diferentes longitudes de onda, un precursor crítico para generar varios pares de fotones intrincadamente entrelazados simultáneamente.

Sin embargo, los investigadores señalan en su artículo que la eficiencia de su dispositivo, la velocidad a la que pueden generar grupos de fotones entrelazados, es menor que la de otras técnicas y debe mejorarse.

¿Qué es una metasuperficie?

Una metasuperficie es un material sintético que interactúa con la luz y otras ondas electromagnéticas de formas que los materiales convencionales no pueden. Las industrias comerciales, dijo Brener, están ocupadas desarrollando metasuperficies porque ocupan menos espacio y pueden hacer más con la luz que, por ejemplo, una lente tradicional.

«Ahora puede reemplazar lentes y elementos ópticos gruesos con metasuperficies», dijo Brener. «Esos tipos de metasuperficies revolucionarán los productos de consumo».

Sandia es una de las instituciones líderes en el mundo que realiza investigaciones en metasuperficies y metamateriales. Entre su complejo de Ingeniería, Ciencia y Aplicaciones de Microsistemas, que fabrica semiconductores compuestos, y el cercano Centro de Nanotecnologías Integradas, los investigadores tienen acceso a todas las herramientas especializadas que necesitan para diseñar, fabricar y analizar estos nuevos y ambiciosos materiales.

«El trabajo fue un desafío, ya que requería una tecnología de nanofabricación precisa para obtener las resonancias ópticas de banda estrecha y nítidas que generan el proceso cuántico del trabajo», dijo Sylvain Gennaro, ex investigador postdoctoral en Sandia que trabajó en varios aspectos del proyecto.

El dispositivo fue diseñado, fabricado y probado a través de una asociación entre Sandia y un grupo de investigación dirigido por la física Maria Chekhova, experta en el entrelazamiento cuántico de fotones en el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz.

«Las metasuperficies están conduciendo a un cambio de paradigma en la óptica cuántica, combinando fuentes ultrapequeñas de luz cuántica con posibilidades de gran alcance para la ingeniería de estado cuántico», dijo Tomás Santiago-Cruz, miembro del equipo de Max Plank y primer autor del artículo.

Brener, que ha estudiado metamateriales durante más de una década, dijo que esta investigación más reciente podría desencadenar una segunda revolución, una en la que estos materiales se desarrollen no solo como un nuevo tipo de lente, sino como una tecnología para el procesamiento de información cuántica y otros nuevos. aplicaciones

«Hubo una ola con metasuperficies que ya está bien establecida y en camino. Tal vez haya una segunda ola de aplicaciones innovadoras en camino», dijo.

Sandia National Laboratories es un laboratorio multimisión operado por National Technology and Engineering Solutions de Sandia LLC, una subsidiaria de propiedad absoluta de Honeywell International Inc. para la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energa de EE. UU. Sandia Labs tiene importantes responsabilidades de investigación y desarrollo en disuasión nuclear, seguridad global, defensa, tecnologías energéticas y competitividad económica, con instalaciones principales en Albuquerque, Nuevo México y Livermore, California.