Una comunicación basada en partículas de luz crearía una internet cuántica indescifrable. Aunque la comunicación cuántica actualmente está limitada por la cantidad de información que los fotones individuales pueden ayudar a enviar de forma segura, lo que se denomina una «tasa de bits secreta». Los investigadores de la Universidad de Purdue crearon una nueva técnica que aumentaría la velocidad de bits secreta 100 veces, a más de 35 millones de fotones por segundo.
Simeon Bogdanov, investigador postdoctoral de Purdue en electricidad e ingeniería informática, asegura que el aumento de la tasa de bits permite usar fotones individuales para enviar no solo una oración por segundo, sino más bien una información relativamente grande con una seguridad extrema, como un archivo del tamaño de un megabyte.
Eventualmente, una alta tasa de bits permitirá un «internet cuántico» ultra seguro, una red de canales llamados «guías de onda» que transmitirán fotones individuales entre dispositivos, chips, lugares o partes capaces de procesar información cuántica.
«No importa cuán avanzado sea un hacker computacionalmente, sería básicamente imposible por las leyes de la física interferir con estos canales de comunicación cuántica sin ser detectado, ya que a nivel cuántico, la luz y la materia son tan sensibles a las perturbaciones», dijo Bogdanov.
Usar la luz para enviar información es un juego de probabilidad: la transmisión de un bit de información puede requerir múltiples intentos. Cuantos más fotones pueda generar una fuente de luz por segundo, más rápida será la velocidad de transmisión exitosa de la información.
Cuestión de velocidad cuántica
Bogdanov explica que una fuente puede generar muchos fotones por segundo, pero solo algunos de ellos pueden usarse para transmitir información, lo que limita en gran medida la velocidad de la comunicación cuántica.
Para una comunicación cuántica más rápida, los investigadores de Purdue modificaron la forma en que un pulso de luz de un rayo láser excita los electrones en un «defecto» artificial o una perturbación local en una red cristalina, y luego cómo este defecto emite un fotón a la vez.
Los investigadores aceleraron estos procesos al crear una nueva fuente de luz que incluye un pequeño diamante de solo 10 nanómetros de tamaño, ubicado entre un cubo de plata y una película de plata.
Dentro del nanodiamante, identificaron un solo defecto, como resultado de la sustitución de un átomo de carbono por nitrógeno y una vacante dejada por un átomo de carbono adyacente faltante. El nitrógeno y el átomo faltante juntos formaron un llamado «centro de vacío de nitrógeno» en un diamante con electrones en órbita alrededor de él.
Una antena metálica acoplada a este defecto facilitó la interacción de los fotones con los electrones en órbita del centro de vacío de nitrógeno, a través de partículas híbridas de materia ligera llamadas «plasmones». Por el centro que absorbe y emite un plasmón a la vez, y el nanoantena que convierte los plasmones en fotones, la tasa de generación de fotones para la comunicación cuántica se hizo dramáticamente más rápida.
«Hemos demostrado la fuente de fotón único más brillante a temperatura ambiente. Por lo general, las fuentes con un brillo comparable solo operan a temperaturas muy bajas, lo que no es práctico para implementar en chips de computadora que usaríamos a temperatura ambiente», dijo Vlad Shalaev, Bob y Anne Burnett Profesor Distinguido de Ingeniería Eléctrica e Informática.
El Centro Quantum de la Universidad de Purdue, que incluye a Simeon Bogdanov (izquierda) y Sajid Choudhury (derecha), está investigando cómo avanzar en la comunicación cuántica para usos prácticos. (Purdue University image / Susan Fleck)
A continuación, los investigadores adaptarán este sistema para los circuitos en chip. Esto significaría conectar la antena plasmónica con guías de onda para que los fotones puedan enrutarse a diferentes partes del chip en lugar de irradiarse en todas las direcciones.
El trabajo se publicó por primera vez en línea en julio para incluirlo en una edición impresa de Nano Letters el 8 de agosto de 2018:
Simeon I. Bogdanov et al. Ultrabright Room-Temperature Sub-Nanosecond Emission from Single Nitrogen-Vacancy Centers Coupled to Nanopatch Antennas, Nano Letters (2018). DOI: 10.1021 / acs.nanolett.8b01415
Fuebte: Purdue University
