En la búsqueda de ordenadores cuánticos y redes prácticas, los fotones, partículas fundamentales de la luz, ofrecen posibilidades intrigantes como portadores rápidos de información a temperatura ambiente. Tradicionalmente, los fotones se controlan y se inducen en estados cuánticos a través de guías de onda en microchips extendidos o mediante dispositivos voluminosos construidos a partir de lentes, espejos y divisores de haz. Estos sistemas son conocidos por ser difíciles de escalar, debido a la gran cantidad de componentes e imperfecciones necesarios para realizar cálculos o redes significativas.
Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard, liderados por Federico Capasso, han desarrollado superficies meta-especialmente diseñadas, dispositivos planos grabados con patrones de manipulación de luz a escala nanométrica. Estas superficies actúan como actualizaciones ultra delgadas para chips ópticos cuánticos y configuraciones, permitiendo la creación de estados entrelazados de fotones que pueden llevar a cabo operaciones cuánticas.
Metasurfaces: Procesadores cuánticos fotónicos robustos y escalables
Los resultados de esta investigación sugieren la posibilidad de dispositivos ópticos cuánticos revolucionarios, que no dependen de componentes convencionales difíciles de escalar, como guías de onda y divisores de haz. En cambio, ofrecen superficies meta que son resistentes a errores y presentan numerosas ventajas: diseños que no requieren alineaciones intrincadas, robustez frente a perturbaciones, rentabilidad, simplicidad de fabricación y bajas pérdidas ópticas.
El trabajo realizado forma parte de una investigación más amplia sobre óptica cuántica basada en superficies meta, que no solo podría allanar el camino hacia ordenadores cuánticos y redes a temperatura ambiente, sino que también podría beneficiar a la detección cuántica o proporcionar capacidades de «laboratorio en un chip» para la ciencia fundamental.
Diseñar una única superficie meta que pueda controlar finamente propiedades como el brillo, la fase y la polarización presenta desafíos únicos, dado que la complejidad matemática aumenta a medida que el número de fotones y, por lo tanto, el número de qubits se incrementa. Cada fotón adicional introduce nuevos caminos de interferencia, que en un sistema convencional requerirían un número creciente de divisores de haz y puertos de salida.
Para abordar esta complejidad, los investigadores se apoyaron en la teoría de grafos, una rama de las matemáticas que utiliza puntos y líneas para representar conexiones y relaciones. Al representar los estados entrelazados de fotones como múltiples líneas y puntos conectados, pudieron determinar visualmente cómo los fotones interfieren entre sí y predecir sus efectos en los experimentos. Este enfoque no solo ofrece nuevas perspectivas sobre el diseño y la operación de superficies meta, sino que también ayuda a escalar ordenadores cuánticos ópticos y redes, un desafío que ha perdurado en comparación con otras plataformas como superconductores o átomos.
Con este avance, la comunidad científica vislumbra un futuro donde la versatilidad y eficiencia de las superficies meta transformen la forma en que se diseñan y utilizan los dispositivos ópticos cuánticos, abriendo la puerta a un nuevo paradigma en la computación y la comunicación cuántica.
