Conmutadores cuánticos y guías de onda de fotón único

Los conmutadores cuánticos serán uno de los pilares de las futuras redes cuánticas y aplicaciones de comunicaciones cuánticas. Los científicos estudiaron las posibilidades de controlar átomos aislados del puerto de salida de la luz incidente con el apoyo del proyecto «A quantum switch for light» (QUSWITCH) de la Unión Europea. El dispositivo de conmutación era un microrresonador óptico, una cavidad delimitada por superficies reflectantes separadas por un medio óptico.

Los científicos aprovecharon un microrresonador de botella que admitía modos de galería de susurros. Este microrresonador permite lograr un acoplamiento fuerte de tal modo que un solo átomo puede cambiar radicalmente las propiedades de transmisión del resonador. La entrada y salida de la luz se realizó mediante fibras ópticas biseladas con pérdidas muy bajas.

En primer lugar, los científicos desarrollaron la técnica para introducir y detectar la presencia de un solo átomo de Rubidio 85 a una distancia de unos 100 nm de la superficie del resonador. Con este sistema de control preparado, los investigadores empezaron a estudiar el acoplamiento átomo-resonador mediante métodos espectrales. Inesperadamente, descubrieron que, en contra de las teorías y predicciones establecidas, debido al fuerte confinamiento de la luz, los átomos emitían luz solo en una dirección. Esto dio lugar a la demostración experimental de nuevas guías de ondas ópticas de escala nanométrica. Por ejemplo, los científicos crearon un conmutador óptico integrado en una fibra en el cual un solo átomo controla el puerto de salida del microrresonador en modo de galería de susurros.

Además, debido a la naturaleza intrínsecamente no lineal del acoplamiento átomo-resonador, el número de fotones se puede utilizar para realizar distintas funciones. El equipo pudo encaminar fotones únicos por un puente distinto que dos fotones incidentes simultáneamente.

Además, los científicos aprovecharon el hecho de que el resonador genera un desplazamiento de fase distinto en la luz de salida a lo largo de la fibra de acoplamiento según el número de fotones incidentes. Los científicos aprovecharon este fenómeno con el fin de inducir el entrelazamiento entre los dos fotones incidentes.

La nueva interacción luz-materia demostrada durante los experimentos de QUSWITCH allana el camino hacia dispositivos fotónicos innovadores, integrados, de escala nanométrica y hacia nuevos esquemas de detección o medición óptica. La interacción fotón-fotón sumamente fuerte es el fundamento de las aplicaciones prácticas de las puertas cuánticas determinísticas y el procesamiento de información. Por este motivo, el proyecto ha proporcionado nuevos conocimientos de interés y relevancia fundamentales para futuras aplicaciones innovadoras.