Un efecto cuántico permite codificar más información en microchips

Este fenómeno podrá utilizarse en tecnologías de procesadores y en distintos tipos de sensores

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La idea de utilizar efectos de la mecánica cuántica en tecnología de la información empezó tomarse en serio durante la década de 1970. Y cobró cuerpo a comienzos de los años 1980, cuando un científico carismático como el físico estadounidense Richard Feynman (1918-1988) se pronunció favorablemente con respecto a la posibilidad de crear una computadora cuántica. En enero de 2017, en un artículo publicado en Nature, intitulado Quantum computers ready to leap out of the lab in 2017 se especuló que, con la participación de corporaciones gigantes como Google y Microsoft, el ordenador cuántico estará finalmente listo para salir del laboratorio este año.

En el lapso de tiempo que se extendió entre el veredicto de Feynman y la promesa que aparece en Nature, se avanzó mucho en ciencia y tecnología. Y un estudio dado a conocer en enero de este año concretó un nuevo aporte en tal sentido. Se trata de la posibilidad de aprovechar un fenómeno de interferencia luminosa típicamente cuántico para codificar más información en microchips de silicio. Esta investigación estuvo a cargo del grupo de Michal Lipson en la Cornell University, y contó con la colaboración de Paulo Nussenzveig profesor titular del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), en Brasil.

Los resultados de este trabajo se dieron a conocer en el artículo intitulado Quantum interference between transverse spatial waveguide modes, publicado en Nature Communications. Nussenzveig participó en el estudio en el marco del Proyecto Temático intitulado “Exploración de la información cuántica con átomos, cristales y chips”, coordinado por Marcelo Martinelli y apoyado por la FAPESP.

“Mi interacción con el grupo apunta a explorar los efectos cuánticos resultantes de la integración de procesamiento electrónico y la comunicación fotónica en microchips de silicio”, declaró Nussenzveig a Agência FAPESP.

En el estudio mencionado, el efecto que se exploró fue la interferencia luminosa denominada Hong-Ou-Mandel (HOM). Dicha interferencia, descubierta en 1987 por Chung Ki Hong, Zhe Yu Ou y Leonard Mandel, ocurre cuando dos fotones indistinguibles inciden sobre un vidrio un 50% transmisor y un 50% reflector, cada parte situada de cada lado del vidrio.

En ese caso, cuatro situaciones son idealmente posibles (de acuerdo con la siguiente figura): 1) el fotón que viene de arriba es reflejado y el fotón que viene de abajo es transmitido, 2) ambos fotones son transmitidos, 3) ambos fotones son reflejados, 4) el fotón que viene de arriba es transmitido y el fotón que viene de abajo es reflejado. 

El efecto cuántico, descrito por las llamadas Reglas de Feynman, hace que las situaciones (2) y (3) se anulen por interferencia cuántica destructiva, de modo tal que el cuadro resultante es el siguiente: o bien ambos fotones salen arriba (1), o bien ambos fotones salen abajo (4), pero nunca un fotón sale hacia cada lado.

“Se trata de un típico efecto cuántico, pues combina en un mismo fenómeno un aspecto ondulatorio (la interferencia) y un aspecto corpuscular (el conteo de dos fotones discretos). Puede considerarse al desvío del par de fotones hacia un lado o hacia el otro como un bit de información”, comentó Nussenzveig.

Experimentos con interferometría HOM se volvieron prácticamente habituales en óptica cuántica en el transcurso de los años 1990 y 2000. Pero la gran novedad que aporta el presente estudio consiste en confinar este fenómeno en el microchip, reemplazando con gran ventaja al vidrio parcialmente transmisor y parcialmente reflector por una guía de onda microscópica cuidadosamente fabricada.

“El confinamiento de la luz en un área sumamente pequeña impone restricciones a su propagación. La luz se propaga libremente en la dirección longitudinal, es decir, a lo largo del eje de la guía de onda. Pero las propagaciones en las direcciones transversales al eje se ven afectadas debido a la reflexión de la luz por las paredes de la guía. Dependiendo de la longitud de onda de la luz y de las dimensiones de la guía, puede ocurrir también, por efecto de interferencia, un aumento o una disminución de la intensidad de la onda luminosa en las direcciones transversales. Esto define distintos modos espaciales posibles para la onda”, informó el investigador.

Al variar la geometría interna de la guía, es posible obtener diversos modos espaciales de la onda y variar las transiciones de un modo al otro. De esta manera, la guía de onda desempeña una función equivalente a la del interferómetro HOM, pero permite codificar, tan sólo para un par de fotones, una cantidad mucho mayor de información. Y ésta es una cuestión crucial para cualquier tipo de procesador o sensor: codificar el máximo de información en el mínimo espacio.

“Este aparato, construido en nitruro de silicio, es alimentado por una fuente de luz especial constituida por fotones gemelos. Para obtenerla se utiliza un cristal no lineal que convierte a los fotones individuales del haz que ilumina al cristal en pares de fotones. Como la energía se conserva y las frecuencias de la radiación electromagnética dependen de la energía, la suma de las frecuencias de los dos fotones producidos es igual a la frecuencia del fotón original. Esto asegura que dos fotones indistinguibles lleguen simultáneamente a la guía de onda, uno en cada uno de los modos transversales. A la salida, dos detectores distintos aseguran que el efecto observado haya sido efectivamente producido por los dos fotones”, explicó Nussenzveig.

El interés de una estructura como ésta reside en la codificación de una mayor cantidad de información por cada fotón que un único bit. Varios grupos, de Brasil inclusive, trabajan en procura de ese objetivo codificando información a través del momento angular orbital de la luz. Pero esto se lleva a cabo en espacio libre, sobre la mesa del laboratorio. La compactación en el microchip aumenta su factibilidad de utilización tecnológica.

“La primera parte del artículo mostró que ese efecto de interferencia ocurre de manera eficaz y controlable. La segunda presentó la prueba de principio de las múltiples posibilidades de aplicación de la interferometría basada en los estados de dos fotones. Mediciones más sensibles en metrología, sensores térmicos y dispositivos para cotejar la pureza de materiales son algunos de sus eventuales despliegues tecnológicos. Pero entre la prueba de principio y la fabricación de un dispositivo existe un largo camino por recorrer”, ponderó el investigador.

El esfuerzo tendiente a integrar la óptica cuántica a la electrónica es algo que se viene llevando adelante desde hace ya algún tiempo. La originalidad de este estudio consistió en demostrar que es posible utilizar los modos transversales de las guías de onda como codificadores de información. Y multiplicando los modos transversales acrecentar cada vez más información a escala de microchips.

Otra peculiaridad de este estudio se refiere a la propia composición del grupo de investigación. Hay en él jóvenes investigadores -varones y mujeres- de origen indio, chino o europeo, liderados por una experimentada científica israelí que cuenta con la colaboración de un experimentado científico brasileño.

Este carácter multinacional, multigénero y multietario constituye una fuerte impronta de la ciencia contemporánea. Algún tiempo atrás, no sería necesario poner de relieve esta característica. Pero, en el contexto actual, resulta relevante saber quién hace ciencia en los centros de excelencia de Estados Unidos.

La israelí Michal Lipson, hija del físico estadounidense Reuven Opher, profesor titular del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP), mantiene una estrecha colaboración con investigadores de la Universidad de São Paulo, en donde cursó parte de su carrera de grado. Su grupo, inicialmente con base en Cornell y actualmente en la Columbia University, es considerado líder en nanofotónica en silicio.

También Paulo Nussenzveig proviene de una familia con varios científicos de renombre, entre ellos su padre, el físico Herch Moysés Nussenzveig. Graduado en Física en la Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro (PUC-RJ), Paulo Nussenzveig se doctoró en Física Cuántica en la Université de Paris VI (Pierre et Marie Curie). Desde 1996 se desempeña como profesor del Departamento de Física Experimental del IF-USP. 

Más información en: www.youtube.com/watch?v=M0XsmNGAa98.