Investigadores de la Universidad de Stanford en Estados Unidos han desarrollado un dispositivo de comunicación cuántica a nanoescala que funciona a temperatura ambiente. Este dispositivo utiliza "luz retorcida" para conectar el espín de los fotones con el espín de los electrones, logrando el entrelazamiento entre fotones y electrones sin necesidad de enfriamiento a temperaturas ultrabajas, lo que proporciona una nueva vía experimental para la miniaturización de componentes de comunicación cuántica.
Esta investigación aborda el desafío de la dependencia de bajas temperaturas en la comunicación cuántica. Muchos sistemas cuánticos actuales requieren entornos cercanos al cero absoluto para mantener el estado cuántico, y los equipos de enfriamiento son voluminosos y costosos, lo que limita la integración de dispositivos cuánticos en equipos de comunicación y computación más amplios. El equipo de Stanford construyó el dispositivo utilizando una capa delgada de diseleniuro de molibdeno y un sustrato de silicio nanoestructurado. A través de las nanoestructuras de silicio, manipulan con precisión los fotones, haciendo que la luz se propague de manera helicoidal y transfiriendo esta característica de espín a los electrones. Los fotones son adecuados para transmitir información a largas distancias, mientras que los electrones son ideales para almacenar y procesar información dentro de los chips; si se puede establecer un acoplamiento estable entre ambos, existe la oportunidad de llevar la información cuántica desde el enlace de comunicación hasta los dispositivos en el chip.
El diseleniuro de molibdeno utilizado en este dispositivo pertenece a la familia de materiales de dicalcogenuros de metales de transición, que poseen propiedades ópticas y cuánticas favorables. El equipo de investigación mejoró y confinó la luz retorcida mediante nanoestructuras de silicio, fortaleciendo la conexión entre el espín del fotón y el espín del electrón, estabilizando así el estado cuántico utilizable para la comunicación. Para la comunicación cuántica, la estabilidad del estado entrelazado, la capacidad de formarse en dispositivos fabricables y la posibilidad de operar a temperatura ambiente afectan el diseño posterior del sistema.
La "luz retorcida" aquí no es simplemente una forma de haz de luz ordinaria, sino un campo de luz que transporta información de espín específica. Las nanoestructuras permiten que los fotones giren en una dirección determinada y asocien este estado de rotación con el espín de los electrones en el material. El estado de los qubits es susceptible a perturbaciones ambientales; si el espín del electrón se pierde rápidamente, la información no puede transmitirse de manera efectiva. El dispositivo del equipo de Stanford, mediante el diseño de materiales y la estructura del campo de luz, mantiene el acoplamiento fotón-electrón utilizable a temperatura ambiente. Este enfoque reduce la dependencia de grandes sistemas de enfriamiento y también ofrece la posibilidad de hardware más compacto para futuros chips de comunicación cuántica, sensores cuánticos y sistemas optoelectrónicos en chip. Para avanzar hacia aplicaciones a nivel de red, aún se necesitan fuentes de luz, moduladores, detectores, estructuras de interconexión y encapsulados de sistema más adecuados.
El equipo de investigación continúa optimizando el rendimiento del dispositivo y explorando otros dicalcogenuros de metales de transición y combinaciones de materiales. La operación a temperatura ambiente es solo un paso hacia la practicidad; para ingresar realmente a una red cuántica, aún deben resolverse problemas como la consistencia del dispositivo, la fabricación integrada, la lectura de señales, el control de errores y la estabilidad a nivel de sistema. El equipo de Stanford ha combinado luz retorcida, materiales bidimensionales y nanoestructuras de silicio en un mismo dispositivo, ofreciendo un esquema experimental para el hardware de comunicación cuántica que difiere de las rutas tradicionales de baja temperatura.