Emisión práctica de fotones uno a uno

La tecnología cuántica se basa en la capacidad de controlar el comportamiento de partículas cuánticas con la mayor precisión posible, por ejemplo, encerrando átomos individuales en trampas magnéticas o enviando partículas individuales de luz (fotones) a través de fibras ópticas. Esto último es la base de la criptografía cuántica, un método de comunicación que es, en principio, a prueba de fisgones. Cualquier ladrón de datos que intercepte los fotones destruye inevitablemente sus propiedades cuánticas. Los emisores y receptores del mensaje lo notarán y podrán detener a tiempo la transmisión comprometida.

Esta forma de criptografía cuántica requiere fuentes de luz que suministren fotones individuales, o sea de uno en uno. Tales sistemas ya existen y muchos se basan en diamantes, pero tienen un defecto: estas fuentes de fotones basadas en diamantes solo pueden generar fotones en frecuencias (o longitudes de onda) que no son adecuadas para la transmisión por fibra óptica. Esa es una limitación significativa para su uso práctico.

El equipo integrado, entre otros, por los físicos Georgy Astakhov y Yonder Berencén, del Centro Helmholtz de Dresde-Rossendorf (HZDR) en Alemania, decidió utilizar un material diferente: el silicio, omnipresente en la electrónica y del que ya se sabe mucho.

A fin de que el silicio generara los fotones infrarrojos necesarios para la comunicación por fibra óptica, los investigadores lo sometieron a un tratamiento especial, disparando selectivamente carbono en el silicio con un acelerador en el Centro de Haces Iónicos del HZDR. Este tratamiento creó en el material estructuras del tipo conocido como centros G (dos átomos de carbono adyacentes acoplados a un átomo de silicio formando una especie de pseudoátomo artificial).

Representación de la emisión de fotones uno a uno desde una oblea de silicio. Los fotones van entrando en una fibra óptica por cuyo interior avanzan hacia su punto de destino. (Ilustración: HZDR / Juniks)

Cuando es irradiado con luz láser roja, este pseudoátomo artificial emite los fotones infrarrojos deseados a una longitud de onda de 1,3 micrómetros, una frecuencia idónea para la transmisión por fibra óptica. El prototipo puede producir 100.000 fotones individuales (separados) por segundo. Y es estable; incluso después de varios días de funcionamiento continuo, Astakhov y sus colegas no han observado en él ningún deterioro. (Fuente: NCYT de Amazings)