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Un dispositivo emite luz cuántica compatible con la fibra óptica

La UMH, la UPV y la UV presentan una alternativa para las tecnologías de la información


Investigadores de la Universidad Miguel Hernández de Elche, la Universidad Politécnica de Valencia y la Universidad de Valencia, y del Consejo Nacional de Investigación italiano han desarrollado un dispositivo experimental que genera emisión de luz cuántica compatible con las comunicaciones por fibra óptica. El trabajo se presenta como una alternativa tecnológica para el desarrollo de las tecnologías cuánticas de la información. Por Carlos Gómez Abajo.


Carlos Gómez Abajo
Carlos Gómez Abajo, redactor de Tendencias21, es máster en periodismo (El País-UAM), Experto en... Saber más del autor


Recreación del interferómetro Hanbury Brown & Twiss (HBT) desarrollado en el artículo. Este nuevo diseño permite abaratar los costes, simplificando el montaje y ampliando las posibilidades en nuevos experimentos de óptica cuántica. Fuente: UMH.
Recreación del interferómetro Hanbury Brown & Twiss (HBT) desarrollado en el artículo. Este nuevo diseño permite abaratar los costes, simplificando el montaje y ampliando las posibilidades en nuevos experimentos de óptica cuántica. Fuente: UMH.
Investigadores de la Universitat Politècnica de València (UPV), la Universitat de València (UV), la Universidad Miguel Hernández (UMH) de Elche y el 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 en la revista Scientific Reports, se presenta como una alternativa tecnológica para el desarrollo de las tecnologías cuánticas de la información, informa Ruvid (la Red de Universidades Valencianas para la Investigación, el Desarrollo y la Innovación) en una nota.

Es el resultado de un proyecto de colaboración entre equipos de investigación en ingeniería de telecomunicaciones y nanotecnología, liderados por Juan P. Martínez Pastor (Universitat de València), Salvador Sales Maicas y Guillermo Muñoz Matutano (Universitat Politècnica de València), Carlos Rodríguez Fernández Pousa (Universidad Miguel Hernández de Elche) y Luca Seravalli (Universidad de Parma–Consejo nacional de Investigación italiano). Las tres universidades valencianas participan en el ecosistema de innovación Global ImasT, del grupo eGauss, que en noviembre celebrará su evento anual.

En la investigación también han trabajado David Barrera, del grupo de Sales perteneciente al ITEAM de la Universidad Politécnica de Valencia, con el desarrollo y fabricación de los dispositivos de filtrado de luz por fibra óptica, así como la investigadora de la Universitat de València Raquel Chuliá, que ha colaborado 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, así como del estudiante Héctor Masià, en el desarrollo de estas tecnologías en la investigación del laboratorio LEON de la Universitat de València.

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 típica. Este aumento en la eficiencia de filtrado ha permitido trabajar con detectores de infrarrojo cercano más simples y de menor coste.

Este tipo de filtros en fibra óptica se usa en muchos campos de la ingeniería e investigación de tecnología fotónica aplicados a la monitorización de procesos y estructuras industriales. Sin embargo, en el trabajo publicado, el dispositivo de fibra se ha incluido en un experimento de física fundamental, con el objetivo de mejorar las condiciones de detección de fotones.

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. El desarrollo de este tipo de dispositivos es de especial relevancia para la implementación de nuevas propuestas de tecnologías cuánticas de la información.

Puntos cuánticos

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. Sin embargo, 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. 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 en la revista del grupo Nature destaca que una de las claves 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 1.300 y 1.550 nanómetros).

De izda. a dcha., Sales, Muñoz Matutano, Barrera, Rodríguez Fernández-Pousa y Martínez Pastor. Fuente: UPV.
De izda. a dcha., Sales, Muñoz Matutano, Barrera, Rodríguez Fernández-Pousa y Martínez Pastor. Fuente: UPV.
Más baratas y más eficientes

Rodríguez Fernández-Pousa, profesor de la UMH, e impulsor del experimento, destaca: “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 consecución de esta alternativa tecnológica ha presentado un desafío transversal a varias áreas de trabajo, como la física de semiconductores, la nanotecnología, la fotónica y la óptica cuántica”, apunta Muñoz Matutano, doctor por la UV, investigador Juan de la Cierva en el Grupo de Comunicaciones Ópticas y Cuánticas de la UPV y colaborador en el Instituto de Ciencias de los Materiales de la UV.

Muñoz añade que 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”.

“Estos avances y nuestras capacidades experimentales nos permitirán posicionarnos en un buen lugar dentro del marco del recientemente anunciado Flagship of Quantum Technologies de la UE, en el que las Comunicaciones Cuánticas son un eje prioritario, y que estará dotado con 1.000 millones de euros”, añade Martínez Pastor, de la UV.

Futuros experimentos

Martínez Pastor, catedrático de Física Aplicada y Electromagnetismo, destaca 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 actualmente. “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”, explica, en la nota de prensa de la UV.

El 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 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 revista Nano Letters, o la propuesta de una nueva técnica de medida de la correlación de fotones (patente presentada por la UV y la UPV).
 

Referencia bibliográfica:

Muñoz-Matutano, G. et al.: All-optical fiber Hanbury Brown & Twiss interferometer to study 1300 nm single photon emission of a metamorphic In As Quantum Dot. Scientific Reports (2016). doi: 10.1038/srep27214 (2016)

Viernes, 10 de Junio 2016
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