UC San Diego Dirige Equipo de Investigadores que Demuestran por Primera Vez la Generación de un Fotón-Único por un Chip
San Diego, April 30, 2012 -- Un consorcio internacional de investigadores ha superado la barrera para la generación de fotones únicos, utilizaando un diminuto dispositivo a escala de chip, construido del material más ampliamente utilizado en el mundo de la electrónica: sílice. Sus resultados podrán acelerar el adviento de las comunicaciones cuánticas, y la computación de ultra-bajo consumo de potencia y otras tecnologías. Ahora que se tienen los tres componentes básicos (fuentes, circuitos de control y detectores) de transceptores cuánticos utilizando la fotónica de silicio.
Los investigadores anunciaron que, por primera vez, generaron el tan-anunciado fotón-único a partir de un chip de silicio. Estos fotones-únicos-anunciados ('heralded single-photons'), son el segundo de un par de fotones generado simultáneamente: cuando el primero de ellos llega a un detector, proveyendo información sobre el tiempo, 'anuncia' al fotón compañero, el cual está en un estado mecánico-cuántico de fotón-único.
El proyecto, dirigido por la Universidad de California, San Diego (UCSD), y colaboradores que incluye: el National Institute of Standards and Technology (NIST) en Gaithersburg, Maryland; y el Politecnico di Milano (Milán, Italia).
El dispositivo reportado en este estudio, es de 0.5 mm x 0.05 mm, y fue fabricado utilizando porcesos compatibles con CMOS sobre un oblea aislante-sobre-silicio (SOI) de 200mm sobre un sustrato colaborativo externo, el cual opera a temperatura ambiente, generando luz-cuántica cerca de los 1550 nanómetros de longitud de onda.
"Esto es en el rango del infrarrojo, y es tecnológicamente importante, porque esas bandas de longitud de onda, son las que se utilizan en las fibras de redes ópticas," dijo Shayan Mookherjea, profesor asociado de ingenierá eléctrica y computación en la Escuela Jacobs de Ingenierá de UCSD. "Fuentes de fotones únicos a escala de chips, pueden utilizarse en dispositivos cuánticos, redes y sistemas para lograr enormes mejoras sobre sus contrapartes clásicas en terminos de velocidad, seguridad o complejidad computacinal."
Mookherjea y colegas, visualizan aplicaciones en criptografía, radiometría, imaginería, telemetría, comunicaciones de ultra-baja potencia y computación cuántica distribuida.
Los resultados de la investigación, serán presentados durante una platica invitada por el estudiante de posgrado de UC San Diego, Junrong Ong, durante la conferencia: Conference on Lasers and Eectro-Optics (CLEO) el jueves 10 de mayo, 2012 a las 3:30 pm (Session CTh3M). Mr. Ong es estudiante de tercer año de posgrado en el grupo Micro/Nano-Photonics group. de Mookherjea. Este artículo fue seleccionado como uno de tres finalistas del prestigiado Maiman Student Paper Competition, el cual reconoce la innovación de parte de estudiantes, excelencia en la investigación y habilidades de presentación en las áreas de tecnología laser y electro-óptica. La competencia mejor-artículo es apoyada por HRL Laboratories, LLC, IEEE Photonics Society y la APS Division of Laser Science.
"El silicio no es un emisor eficiente de silicio, así que la creación de una fuente de fotón-único, es un primer paso hacia la obtención en un chip de silicio de los tres componentes principales necesarios para la integración completa de la fotónica-cuántica."
En efecto, las últimas demostraciones contienen la promesa del transceiver cuántico integrado en un chip de silicio. Hay tres tipos básicos de componentes necesarios para sistemas cuánticos sobre un chip de silicio: fuentes; circuitos y detectores. Los últimos fueron demostrados recientemente. Circuitos guía-de-onda de silicio consistentes de una red controlable de acopladores e interférometros, han demostrado la interferencia cuántica y el manejo del entrelazamiento cuántico o 'entanglement' utilizando fuentes de luz de un chip, y chips contadores de fotones-únicos han sido formados utilizando capas depositadas como aseguradoras de una guía de ondas nanofotónica de silicio.
El artículo describiendo los últimos resultados, serán publicados en un próximo número del journal Applied Science Letters, y una pre-impresión está disponible en el repositorio en-línea arXiv.org (arXiv:1201.2659v1 [quant-ph])
Se espera que los fotones-únicos sean la base para las futuras tecnologías con base-cuántica. "Mientras ya han sido desarrolladas una variedad de fuentes de fotones-únicos, a menudo contienen procesos de fabricación no estandarizados, o requieren de enfriamiento criogénico," dijo Kartik Srinivasan, autor-senior del artículo del journal y líder del proyecto de nanophotonics del Center for Nanoscale Science and Technology de NIST. "En contraste, Los dispositivos estudiados por nuestro equipo, operan a temperatura ambiente y son construidos utilizando técnicas de fabricación ya aplicadas en la manufactura de chips de computadora."
En este proceso, los fotones son separados en pares a diferentes ondas de longitud (llamados como fotones señal y acompañante - 'idler') debido a la presencia no-lineal en el dispositivo. En materiales masivos como cristales macroscópicos y fibras ópticas, este no-linearidad es relativamente débil, pero en los dispositivos nanofotónicos, puede ser aumentado significativamente por un factor de hasta mil, permitiendo con esto una generación eficiente de pares de fotones dentro de geométrias ultra-compactas.
Habiendo creado los pares de fotones en estos dispositivos, el equipo fue más allá y demostró el proceso de generación de fotones-únicos anunciados. Esto es muy importante porque los pares de fotones son generados mediante un bombeado óptico no-lineal a intervalos aleatorios de tiempo. El anunciado es un proceso mediante el cual se detecta uno de los fotones del par, proveyendo con esto un etiquetado en el tiempo con información determinística de que el otro foton (único) está disponible ("anunciado").
El dispositivo utilizado por los investigadores, fue una guía de onda nanofotónica de silicio, consistente de un arreglo lineal de micro-resonadores acoplados. Este guía de ondas fue desarrollado por el grupo de investigación del Dr. Mookherjea en San Diego, durante la década pasada.
Para la generación de fotones-únicos, el equipo comenzó con los procesos ópticos no-lineales relacionados de generación de par-de-fotones, el cual ha sido demostrado recientemente sobre silicio por unos cuantos grupos utilizando guías-de-onda convencionales y resonadores de un solo-anillo. Uno de los momentos científicos claves de este trabajo, es el mejoramientode luz-lenta de la tasa de generación de pares por dispositivo -- los investigadores incrementaron el coeficiente efectivo no-lineal de este guía de onda de resonador-acoplado novedoso al caso de que es casi cien mil veces más alto que en la fibra de cristal comercial altamente no-lineal. Más aún, el dispositivo fue diseñado para permitir el mejoramiento de la resonancia de todos los campos ópticos involucrados (la bomba, la señal y el acompañante), sin afinación de la longitud de onda óptica -- una hazaña difícil de obtener en otros sistemas. "Nuestro novedos dispositivo no solamente provee mejoramiento de resonancia plug-and-play de un proceso deseado, sino que también elimina porcesos no-deseados filtrando efectos de ruidos no resonantes de la bomba," explico Mookherjea.
Los dispositivos utilizados en el proyecto, fueron medidos por el Sr. Ong y el Dr. marcelo Davanco en el laboratorio del Dr. Kartik Srinivasan en NIST, utilizando contadores de fotones y bandas-de-telecomunicaciones del estado-del-arte desarrollados por Prof. Alberto Tosi y colaboradores en el politecnico di Milano. Los investigadores realizaron medidas correlacionadas de fotones, en la cual le luz anunciada era separada en dos trayectorias y luego detectada con detectores de fotón-único. Cuando se trabaja con fotones-únicos, no deberá ser posible ver los fotones anunciados en ambos detectores simultáneamente, llamadi "anti-bunching", como lo confirmaron los investigadores.
La National Science Foundation proveyó de fondos parciales por medio de los programas: CAREER, GOAL, y la Interaction in Basic and Applied Scientific Research Programs de NIST, y por la Division UCSD del California Institute for Telecommunications and Information Technology (Calit2). Esta colaboración fue facilitada por Nick Bertone de Optoelectronic Components, Canada. El estudiante de posgrado Junrong Ong es apoyado con un fellowship por cinco años de la Singaporean Agency for Science, Technology and Research de Singapore.
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UC San Diego Micro/Nano-Photonics Group
UC San Diego Electrical and Computer Engineering Department
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