Equips d’investigació de tres universitats valencianes, entre elles la Universitat de València, i del Consell Nacional de Recerca italià han desenvolupat un nou dispositiu experimental que genera emissió de llum quàntica compatible amb les comunicacions per fibra òptica. El treball, publicat hui divendres en la revista 'Scientific Reports', es presenta com una alternativa tecnològica per al desenvolupament de les tecnologies quàntiques de la informació.

Es tracta del resultat d’un projecte de col·laboració entre equips de recerca en enginyeria de telecomunicacions i nanotecnologia, format per Juan P. Martínez Pastor (Universitat de València), Salvador Sales Maicas i Guillermo Muñoz Matutano (Universitat Politècnica de València), Carlos Rodríguez Fernández-Pousa (Universitat Miguel Hernández d’Elx) i Lucca Seravalli (Universitat de Parma–Consell Nacional de Recerca italià).

L’equip ha aconseguit dissenyar i fabricar dispositius integrats en fibra que permeten filtrar la llum emesa per punts quàntics (QD), amb una eficiència 10 vegades més gran que la típica. Aquest augment en l’eficiència de filtració ha permès treballar amb detectors d’infraroig pròxim més simples i de menys cost.

D’altra banda, la selecció dels fotons a través de fibra òptica obri la porta a dispositius futurs més compactes i versàtils, en què el mateix agent transmissor de la llum (la fibra òptica) puga ser l’element principal en el moment de manipular la informació entre fotons.

Juan Martínez Pastor, catedràtic de Física Aplicada i Electromagnetisme de la Universitat de València, ha destacat que el laboratori de la Universitat ha sigut pioner a Espanya en anàlisi de llum quàntica emesa per QD i l’únic que pot realitzar aquest tipus d’experiments en les finestres infraroges de les telecomunicacions, on només uns pocs laboratoris de la comunitat científica internacional treballen actualment. “Per a més endavant ens plantegem dur a terme experiments amb fotons entrellaçats, base de la criptografia quàntica i moltes altres aplicacions de gran importància, com la teleportació quàntica i sensors a nivell atòmic i molecular”, ha explicat.

“L’èxit d’aquesta alternativa tecnològica ha presentat un desafiament transversal en àrees de treball, com la física de semiconductors, la nanotecnologia, la fotònica i l’òptica quàntica”, assenyala Guillermo Muñoz, doctor per la Universitat de València, investigador Juan de la Cierva en el Grup de Comunicacions Òptiques i Quàntiques de la Universitat Politècnica de València i col·laborador en l’Institut de Ciències dels Materials de la UV.

Els punts quàntics informalment s’etiqueten com a “àtoms artificials”. Les reduïdes dimensions d’aquestes nanoestructures (de l’ordre dels nanòmetres = 10-9) n’afecten directament les propietats electròniques i òptiques, i les fan molt semblants a les dels àtoms.

Els QD incorporen tots els avantatges de la tecnologia de semiconductors i poden ser incorporats com a base per a multitud de dispositius optoelectrònics, com LED i làsers de baix consum. Tot i així, quan els QD s’estudien de manera aïllada, analitzant l’emissió òptica d’un de sol, la major part de les aplicacions es focalitzen en el desenvolupament de comunicacions quàntiques. 

El treball, publicat hui divendres per la revista de la prestigiosa editorial Nature Publishing Group (NPG), destaca que un dels requisits per al desenvolupament d’aquestes tecnologies quàntiques és acostar la recerca bàsica als requisits tecnològics i industrials. Com expliquen en aquest article els autors, perquè aquesta tecnologia basada en l’emissió de llum quàntica per QD siga compatible amb les actuals demandes tecnològiques, és de vital importància fer que la seua emissió òptica abaste les zones d’interès en les telecomunicacions per fibra òptica (les dues finestres infraroges centrades en 1300 i 1550 nanòmetres).

Dues tecnologies diferents

Carlos Rodríguez Fernández-Pousa, professor de la Universitat Miguel Hernández d’Elx, impulsor de l’experiment, ha destacat: “L’avanç és conseqüència de la interrelació de dues tecnologies diferents: la de dispositius òptics basats en punts quàntics de semiconductor i la de dispositius de fibra òptica per a filtrar senyals. Precisament, aquest èxit en la connexió d’aquestes dues tecnologies diferents permet albirar desenvolupaments addicionals en aquest camp”.

“La recerca actual presenta molts desafiaments que cal resoldre abans de poder emmarcar-la com una tecnologia comercialitzable, com ara fer que puga operar a temperatura ambient, però es presenta com un avanç molt significatiu per a desenvolupar tecnologies més barates, més eficients i més compactes en el camp del control i el maneig de fotons per a les telecomunicacions i la informació quàntica”, ha completat Guillermo Muñoz.

“Aquests avanços i les nostres capacitats experimentals ens permetran posicionar-nos en un bon lloc dins del marc del tot just anunciat Flagship of Quantum Technologies (https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/news/european-commission-will-launch-eu1-billion-quantum-technologies-flagship), projecte que, amb el suport decisiu del Ministeri d’Economia i Competitivitat, tindrà una dotació de 1.000 milions d’euros de pressupost i en què les comunicacions quàntiques són un eix prioritari”, ha indicat Juan Martínez Pastor.

Dispositius

Aquest treball forma part de la línia principal de recerca de Guillermo Muñoz i el seu projecte Juan de la Cierva, finançat pel Ministeri d’Economia i Competitivitat. Al mateix laboratori de l’Institut de Ciències dels Materials de la Universitat de València (ICMUV) ja s’havien creat diferents dispositius per al tractament i el control de l’emissió de fotons, com la proposta de noves idees per al desenvolupament del processament lògic de la informació usant llum quàntica, finalista del premi IDEA de joves investigadors i publicada fa un parell d’anys en la prestigiosa revista Nano Letters (Nano Lett., 2014, 14, pàg. 456–463), o la proposta d’una nova tècnica de mesura de la correlació de fotons (patent presentada per la Universitat de València i la Universitat Politècnica de València).

En la recerca també hi han treballat David Barrera, de la Politècnica de València, dissenyant i fabricant els dispositius de filtració de llum per fibra òptica, i Raquel Chuliá, de la Universitat de València, com a suport en la caracterització experimental. L’equip de recerca destaca la contribució dels doctors José Benito Alén, Josep Canet Ferrer, David Rivas i Amelia L. Ricchiuti, i de l’estudiant Héctor Masià, al desenvolupament d’aquestes tecnologies en la recerca del laboratori LEON de la Universitat de València.

Article:

Muñoz-Matutano, G. et al. All-optical fiber Hanbury Brown & Twiss interferometer to study 1300 nm single photon emission of a metamorphic InAs Quantum Dot. Sci. Rep. 6, 27214; doi: 10.1038/srep27214 (2016)

Peu de fotografia:

1. Recreació de l’interferòmetre Hanbury Brown & Twiss (HBT) desenvolupat en l’article publicat en la revista Scientific Reports - Nature. El nou disseny permet abaratir els costos, simplificant el muntatge i ampliant les possibilitats en nous experiments d’òptica quàntica.

2. (D’esquerra a dreta). Salvador Sales Maicas, Guillermo Muñoz Matutano, David Barrera Vilar, Carlos Rodríguez Fernández-Pousa i Juan Martínez Pastor.

•