QuTech, la institución de investigación cuántica establecida conjuntamente por la Universidad Tecnológica de Delft y la Organización de Investigación Científica Aplicada de los Países Bajos (TNO), ha demostrado una interfaz luz-materia eficiente y coherente que conecta emisores cuánticos de centros de color de vacante de estaño en diamante con fotones dentro de una cavidad nanoóptica. Este logro, dirigido por el profesor Ronald Hanson, ha sido publicado en la revista Physical Review X. El equipo de investigación logró una cooperatividad coherente superior a 1 para los centros de color de vacante de estaño en una cavidad de cristal fotónico de diamante. Este indicador significa que las interacciones cuánticas coherentes útiles pueden superar el ruido de decoherencia, proporcionando una base experimental para un "apretón de manos" más fiable entre los qubits de estado sólido y los qubits de fotones voladores.

El centro de color de vacante de estaño es un defecto artificial en la red cristalina del diamante, formado por la combinación de un átomo de estaño y una vacante de carbono. Se comporta como un sistema cuántico similar a un átomo incrustado en un sólido, capaz tanto de albergar información cuántica como de interactuar con la luz.

El internet cuántico y la computación cuántica modular requieren conectar dos tipos de portadores cuánticos: uno son los qubits de materia de estado sólido en un chip, utilizados para almacenar y procesar información; el otro son los qubits de fotones, utilizados para transmitir estados cuánticos entre diferentes nodos. La dificultad radica en que los defectos de estado sólido se ven afectados por el ruido del material circundante, y los fotones deben interactuar con el emisor con alta fidelidad en un tiempo extremadamente corto. La mejora ordinaria de la luminiscencia solo indica una emisión más brillante, pero no garantiza la coherencia necesaria para los protocolos cuánticos. En este trabajo de QuTech, los centros de color de vacante de estaño se incrustaron en una cavidad de cristal fotónico de diamante. La nanocavidad concentra el campo de luz en la región del defecto, mejorando la interacción entre un solo emisor cuántico y los fotones, y se confirmó una cooperatividad coherente superior a 1 mediante mediciones de ancho de línea.

"Superior a 1" corresponde a un umbral experimental importante. Indica que la fuerza de acoplamiento coherente ya es suficiente para superar la influencia de la decoherencia ambiental, y el sistema comienza a entrar en un régimen de trabajo más adecuado para la transmisión de estados cuánticos y la generación de entrelazamiento remoto.

El equipo de investigación también mostró indicios de escalabilidad en la fabricación de dispositivos. Midieron 327 dispositivos nanofotónicos de diamante en dos chips, obteniendo un factor de calidad promedio alto y un buen rendimiento de dispositivos; en dos dispositivos clave, los centros de color de vacante de estaño acoplados a la cavidad mejoraron significativamente la emisión de fotones en el modo óptico objetivo. Según la página web de QuTech, cuando la cavidad óptica y el centro de color de vacante de estaño se sintonizan en resonancia, un solo emisor cuántico puede modular fuertemente la luz transmitida a través de la cavidad, acercándose a cerrar completamente la transmisión de luz a través de la cavidad. Esto demuestra que un emisor cuántico de estado sólido ya puede ejercer un fuerte control sobre el campo de luz a escala de un solo fotón, proporcionando una base de dispositivos para conectar múltiples nodos cuánticos en una red en el futuro.

Las aplicaciones de este logro se centran en las redes cuánticas. Los futuros nodos cuánticos necesitarán realizar almacenamiento y procesamiento cuántico localmente, y luego enviar información cuántica a nodos remotos a través de fotones, formando conexiones de entrelazamiento remoto y computación cuántica distribuida.

La ventaja de la ruta de los centros de color en diamante radica en su capacidad de integración en estado sólido y su potencial de interfaz óptica. En comparación con otros sistemas de centros de color, los centros de color de vacante de estaño poseen buenas propiedades ópticas y de espín, lo que los hace adecuados para construir dispositivos a escala de chip orientados a redes cuánticas. La nanocavidad óptica desempeña el papel de "amplificar la interacción", comprimiendo la interacción emisor-fotón, que de otro modo sería débil, en un modo óptico de menor volumen y mayor intensidad de campo. Una vez que la cooperatividad coherente supera 1, la investigación posterior puede dirigirse hacia la generación de entrelazamiento remoto, nodos repetidores cuánticos, interconexión de procesadores cuánticos modulares e interfaces cuánticas fotónicas en chip. Ronald Hanson también mencionó en el comunicado de QuTech que este resultado ayuda a generar entrelazamiento entre nodos remotos de manera más rápida y fiable, y tiene importancia para la colaboración de QuTech con Fujitsu en el avance de la computación cuántica modular.

Aún quedan múltiples desafíos de ingeniería por resolver. Las redes cuánticas requieren una gran cantidad de dispositivos con rendimiento consistente; los indicadores sobresalientes de una sola muestra deben traducirse en fabricación en masa, sintonización estable, operación a baja temperatura, acoplamiento de fibra óptica, fiabilidad a largo plazo y capacidad de control a nivel de sistema. El emparejamiento de frecuencias entre los centros de color de vacante de estaño y la cavidad de cristal fotónico, el control de la posición de los defectos, la supresión del daño del material, la gestión del ruido de decoherencia y la interconexión de múltiples nodos afectarán la escala posterior del sistema. Los resultados de medición de 327 dispositivos presentados por QuTech proporcionan una señal positiva para la fabricación escalable; la cooperatividad coherente superior a 1 impulsa la capacidad del dispositivo desde una "interfaz de emisión más brillante" hasta una "interfaz capaz de ejecutar protocolos cuánticos de alta fidelidad".

Esta investigación de QuTech en los Países Bajos marca un paso adelante para la interfaz cuántica fotónica de centros de color de vacante de estaño en diamante hacia redes cuánticas prácticas. No resuelve simplemente el problema de la eficiencia de emisión de luz, sino la cuestión de si los qubits de estado sólido y los fotones voladores pueden realizar una interacción cuántica fiable en condiciones de bajo ruido. A medida que la computación cuántica se expande de un solo chip a una arquitectura modular, y a medida que el internet cuántico pasa de enlaces experimentales a redes de múltiples nodos, este tipo de interfaz luz-materia eficiente, coherente y escalable se convertirá en un componente clave del hardware subyacente.