En el mundo de la computación cuántica, los fotones son piezas fundamentales: pequeñas partículas de luz capaces de transmitir información cuántica sin perturbarse por el entorno, a diferencia de los electrones. Pero aprovechar su potencial es más difícil de lo que parece. Uno de los principales desafíos es producir fuentes de fotones individuales que sean consistentes, predecibles y escalables.
Para lograrlo, los investigadores recurren a los puntos cuánticos, estructuras diminutas hechas de materiales semiconductores. Funcionan como «átomos artificiales» que pueden emitir fotones uno a uno bajo ciertas condiciones. Pero hay un inconveniente: cada punto cuántico es ligeramente distinto, lo que complica mucho su uso conjunto para crear haces de fotones coordinados, algo esencial en aplicaciones como la criptografía cuántica o los experimentos de interferencia cuántica.
Una alternativa a los componentes electrónicos complejos
Para sortear esta limitación, la solución habitual ha sido usar un solo punto cuántico y dividir su señal mediante dispositivos electro-ópticos, como los moduladores rápidos. Estos aparatos permiten descomponer la luz emitida en distintos modos espaciales o temporales. Sin embargo, esta estrategia no está exenta de problemas: los moduladores electro-ópticos son caros, voluminosos y propensos a pérdidas de energía, además de requerir diseños a medida.
Este panorama está empezando a cambiar gracias a un trabajo reciente liderado por Vikas Remesh, del grupo de fotónica del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck, en colaboración con universidades como Cambridge y Johannes Kepler de Linz. Su propuesta traslada la complejidad desde la etapa posterior a la emisión del fotón hacia la fase de excitación óptica, eliminando la necesidad de componentes electrónicos activos.
Una técnica puramente óptica: estimulación por dos fotones
El corazón de esta innovación está en un proceso llamado excitación estimulada por dos fotones. Este método, completamente óptico, permite controlar con gran precisión cuándo y cómo un punto cuántico emite luz. Funciona de la siguiente manera: primero, un pulso láser cronometrado con exactitud induce un estado biexcitónico en el punto cuántico (una especie de estado doblemente excitado). Luego, un segundo pulso con polarización controlada provoca la emisión de un fotón con la orientación deseada.
De esta forma, se pueden generar cadenas de fotones con distintos estados de polarización, sin que haga falta dividir ni redirigir la luz mediante aparatos externos. Es como si en vez de tener que dividir una corriente de agua en varios canales con válvulas mecánicas, se lograra controlar desde el principio por qué tubo fluye cada gota.
Resultados prometedores y ventajas técnicas
Los experimentos realizados por el equipo de Innsbruck muestran que esta técnica es capaz de generar estados bifotónicos de alta calidad, manteniendo intactas las propiedades cuánticas de cada fotón. Esto significa que no solo se consigue una mayor eficiencia, sino también una reducción de las interferencias y errores, dos de los principales enemigos de la computación cuántica.
Según Remesh, lo verdaderamente elegante de este enfoque es que «la complejidad se traslada a la etapa óptica de excitación«, lo que reduce los costos y mejora la eficiencia general del sistema. Al evitar el uso de componentes electrónicos costosos y poco fiables, se allana el camino hacia fuentes de fotones más fáciles de implementar en escenarios prácticos.
Aplicaciones reales más cerca
Una de las implicancias inmediatas de esta investigación está en los protocolos de distribución cuántica de claves. Gracias a esta técnica, sería posible emitir de manera simultánea flujos independientes de fotones para diferentes receptores, aumentando la capacidad de las redes cuánticas seguras. Además, mejora el desarrollo de experimentos de interferencia multiphotónica, cruciales para validar los fundamentos de la mecánica cuántica.
A más largo plazo, los investigadores esperan poder generar fotones con cualquier estado de polarización lineal usando puntos cuánticos diseñados específicamente para este fin. Sería como poder «afinar» cada punto cuántico como un instrumento musical, emitiendo notas (fotones) según lo que se requiera.
Una colaboración multidisciplinaria
Este avance ha sido fruto de un esfuerzo conjunto que combina conocimiento en óptica cuántica, física de semiconductores e ingeniería fotónica. Participaron científicos de distintos países y universidades, entre ellos Yusuf Karli e Iker Avila Arenas, quienes lideraron los experimentos. De hecho, Arenas realizó su trabajo como parte de su tesis de maestría en el programa Erasmus Mundus en Fotonica para la Seguridad, Confiabilidad y Seguridad.
El estudio fue publicado en la revista npj Quantum Information y ha contado con el apoyo de entidades como el Fondo Austriaco para la Ciencia, la Agencia de Promoción de la Investigación de Austria y los programas de investigación de la Unión Europea.
