Un grupo de investigación en fotónica, co-dirigido por Gregor Weihs de la Universidad de Innsbruck, ha desarrollado una nueva técnica para generar estados multi-fotón a partir de puntos cuánticos, superando las limitaciones de los métodos convencionales. Esta innovación tiene aplicaciones inmediatas en protocolos de distribución de claves cuánticas seguras, permitiendo una comunicación simultánea y segura con diferentes partes.
Los puntos cuánticos, estructuras nanométricas semiconductoras capaces de emitir fotones individuales bajo demanda, son considerados una de las fuentes más prometedoras para la computación cuántica fotónica. Sin embargo, cada punto cuántico tiene características ligeramente diferentes, lo que significa que no se pueden utilizar múltiples puntos cuánticos para producir estados multi-fotón.
Tradicionalmente, los investigadores emplean un único punto cuántico y multiplexan la emisión en diferentes modos espaciales y temporales mediante un modulador electro-óptico rápido. El reto tecnológico radica en que estos moduladores son costosos y a menudo requieren una ingeniería muy personalizada, además de que pueden no ser muy eficientes, lo que introduce pérdidas no deseadas en el sistema.
Un enfoque óptico innovador
El equipo internacional, co-dirigido por Vikas Remesh del Grupo de Fotónica del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck, ha demostrado una solución elegante que elude estas limitaciones. Su enfoque utiliza una técnica puramente óptica llamada excitación de dos fotones estimulada para generar flujos de fotones en diferentes estados de polarización directamente desde un punto cuántico, sin requerir componentes de conmutación activos.
Los investigadores lograron demostrar su técnica generando estados de dos fotones de alta calidad con excelentes propiedades de fotones individuales. Esta innovación se detalla en un estudio publicado en la revista npj Quantum Information.
Los autores del estudio, Yusuf Karli e Iker Avila Arenas, explican que el método funciona al excitar primero el punto cuántico con pulsos de láser temporizados con precisión para crear un estado de biexcitón, seguido de pulsos de estimulación controlada por polarización que desencadenan de manera determinista la emisión de fotones en la polarización deseada.
Remesh, el investigador principal, subraya que «lo que hace que este enfoque sea particularmente elegante es que hemos trasladado la complejidad de los componentes electrónicos costosos y que inducen pérdidas a la etapa de excitación óptica». Este avance representa un paso significativo hacia la viabilidad de las fuentes de puntos cuánticos para aplicaciones del mundo real.
De cara al futuro, los investigadores prevén extender la técnica para generar fotones con estados de polarización lineales arbitrarios utilizando puntos cuánticos especialmente diseñados. Este estudio tiene aplicaciones inmediatas en protocolos de distribución de claves cuánticas seguras, donde múltiples flujos de fotones independientes pueden permitir una comunicación simultánea y segura con diferentes partes, así como en experimentos de interferencia multi-fotón, cruciales para probar incluso los principios fundamentales de la mecánica cuántica.
Este trabajo representa un esfuerzo colaborativo que involucra experiencia en óptica cuántica, física de semiconductores e ingeniería fotónica.
Más información:
Yusuf Karli et al, Passive demultiplexed two-photon state generation from a quantum dot, npj Quantum Information (2025). DOI: 10.1038/s41534-025-01083-0
