Equipos de investigación de tres universidades valencianas, entre ellas la Universitat de València, y del Consejo Nacional de Investigación italiano han desarrollado un nuevo dispositivo experimental que genera emisión de luz cuántica compatible con las comunicaciones por fibra óptica. El trabajo, publicado hoy en la revista ‘Scientific Reports’, se presenta como una alternativa tecnológica para el desarrollo de las tecnologías cuánticas de la información.

El trabajo es resultado de un proyecto de colaboración entre equipos de investigación en ingeniería de telecomunicaciones y nanotecnología, formado por Juan P. Martínez Pastor (Universitat de València), Salvador Sales Maicas y Guillermo Muñoz Matutano (Universidad Politécnica de Valencia), Carlos Rodríguez Fernández-Pousa (Universidad Miguel Hernández de Elche) y Luca Seravalli (Universidad de Parma–Consejo nacional de Investigación italiano).

El equipo ha conseguido diseñar y fabricar dispositivos integrados en fibra que permiten filtrar la luz emitida por puntos cuánticos (QDs), con una eficiencia más de 10 veces mayor que la habitual. Este aumento en la eficiencia de filtrado ha permitido trabajar con detectores de infrarrojo cercano más simples y de menor coste.

Por otra parte, la selección de los fotones a través de fibra óptica abre la puerta a dispositivos futuros más compactos y versátiles, donde el propio agente transmisor de la luz (la fibra óptica) pueda ser el elemento principal en el momento de manipular la información entre fotones.

Juan Martínez Pastor, catedrático de Física Aplicada y Electromagnetismo de la Universitat de València, ha destacado que el laboratorio de la Universitat ha sido pionero en España en análisis de luz cuántica emitida por QDs y único que puede realizar este tipo de experimentos en las ventanas infrarrojas de las telecomunicaciones, donde sólo unos pocos laboratorios de la comunidad científica internacional trabajan en la actualidad. “En un futuro cercano nos planteamos realizar experimentos con fotones entrelazados, base de la criptografía cuántica y otras muchas aplicaciones de gran calado, como la teleportación cuántica y sensores a nivel atómico y molecular”, ha explicado. 

“La consecución de esta alternativa tecnológica ha presentado un desafío transversal a áreas de trabajo, como la física de semiconductores, la nanotecnología, la fotónica y la óptica cuántica”, apunta Guillermo Muñoz, doctor por la Universitat de València, investigador Juan de la Cierva en el Grupo de Comunicaciones Opticas y Cuánticas de la Universitat Politècnica de València y colaborador en el Instituto de Ciencias de los Materiales de la UV.

Los puntos cuánticos informalmente se etiquetan como “átomos artificiales”. El pequeño tamaño de estas nanoestructuras (del orden de los nanómetros = 10-9 m), afecta directamente a sus propiedades electrónicas y ópticas, haciéndolas muy semejantes a las de los propios átomos.

Los QDs incorporan todas las ventajas de la tecnología de semiconductores, pudiendo ser incorporados como base para multitud de dispositivos optoelectrónicos, como LEDs y láseres de bajo consumo. Sin embargo, cuando los QDs se estudian de forma aislada, analizando la emisión óptica de uno solo de ellos, la mayoría de las aplicaciones se focalizan en el desarrollo de comunicaciones cuánticas.

El trabajo, publicado hoy viernes por la revista de la prestigiosa editorial Nature Publishing Group (NPG), destaca que uno de los requisitos para el desarrollo de estas tecnologías cuánticas es acercar la investigación básica a los requisitos tecnológicos e industriales. Como explican en su artículo los autores, para que esta tecnología basada en la emisión de luz cuántica por QDs sea compatible con las actuales demandas tecnológicas, es de vital importancia hacer que su emisión óptica abarque las zonas de interés en las telecomunicaciones por fibra óptica (las dos ventanas infrarrojas centradas en 1300 & 1550 nanómetros).

Dos tecnologías diferentes

Carlos Rodríguez Fernández-Pousa, profesor de la Universidad Miguel Hernández de Elche, impulsor del experimento, ha destacado: “el avance es consecuencia de la interrelación de dos tecnologías distintas, la de dispositivos ópticos basados en puntos cuánticos de semiconductor, y la de dispositivos de fibra óptica para el filtrado de señales. Es precisamente este éxito en la conexión de estas dos tecnologías distintas la que permite vislumbrar desarrollos adicionales en este campo”.

“La actual investigación presenta muchos desafíos por resolver antes de poder enmarcarla como una tecnología comercializable, como hacer que pueda operar a temperatura ambiente, pero se presenta como un avance muy significativo para desarrollar tecnologías más baratas, más eficientes y más compactas en el campo del control y el manejo de fotones para las telecomunicaciones y la información cuántica”, ha completado Guillermo Muñoz.

“Estos avances y nuestras capacidades experimentales nos permitirán posicionarnos en un buen lugar dentro del marco del recientemente anunciado Flagship of Quantum Technologies (https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/news/european-commission-will-launch-eu1-billion-quantum-technologies-flagship), proyecto que se dotará con 1.000 millones de euros de presupuesto, y donde las Comunicaciones Cuánticas son un eje prioritario, y que el Ministerio de Economía y Competitividad pretende apoyar decisivamente”, ha apuntado Juan Martínez Pastor.

Dispositivos

Este trabajo forma parte de la línea principal de investigación de Guillermo Muñoz y su proyecto Juan de la Cierva financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad. En el mismo laboratorio del Instituto de Ciencias de los Materiales de la Universitat de Valencia (ICMUV) ya se habían desarrollado distintos dispositivos para el tratamiento y el control de la emisión de fotones, como la propuesta de nuevas ideas para el desarrollo del procesado lógico de la información usando luz cuántica, finalista del premio IDEA de jóvenes investigadores y publicada hace un par de años en la prestigiosa revista Nano Letters (Nano Lett., 2014, 14, pp 456–463), o la propuesta de una nueva técnica de medida de la correlación de fotones (patente presentada por la Universitat de València y la Universidad Politécnica de Valencia).

En la investigación también han trabajado David Barrera, de la Universidad Politécnica de Valencia, diseñando y fabricando los dispositivos de filtrado de luz por fibra óptica, y Raquel Chuliá, de la Universidad de Valencia, como apoyo en la caracterización experimental. El equipo de investigación destaca la contribución de los doctores José Benito Alén, Josep Canet Ferrer, David Rivas y Amelia L. Ricchiuti, como del estudiante Héctor Masià al desarrollo de estas tecnologías en la investigación del laboratorio LEON de la Universitat de València.

Artículo:

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)

Pie de fotografía:

1.- Recreación del interferómetro Hanbury Brown & Twiss (HBT) desarrollado en el artículo publicado en la revista Scientific Reports - Nature. Este nuevo diseño permite abaratar los costes, simplificando el montaje y ampliando las posibilidades en nuevos experimentos de óptica cuántica.

2.- (De izquierda a derecha). Salvador Sales Maicas, Guillermo Muñoz Matutano, David Barrera Vilar, Carlos Rodríguez Fernández Pousa y Juan Martínez Pastor.

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