Más de 500 millones de fotones por segundo desde un solo punto

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Una línea de montaje en una fábrica escupe piezas de una en una por ciclo. Si el ciclo es corto y hay pocos defectos, la línea va rápida. En óptica cuántica, el papel de esa línea lo desempeña una fuente de fotones individuales: debe emitir exactamente un cuanto de luz por cada ciclo, y cuanto más frecuentes sean los ciclos, más fotones viajan por la fibra óptica. Ingenieros daneses de Sparrow Quantum, junto con físicos de la Universidad del Ruhr en Bochum, han construido una línea que da 515 millones de pasos por segundo y, además, más de la mitad de las piezas llegan al final de la cadena.

El corazón de la línea es un punto cuántico, una diminuta isla de arseniuro de indio dentro de arseniuro de galio. Cuando un pulso láser incide en él, absorbe la energía y, tras 220 picosegundos, emite un fotón. Ese es el tiempo de vida del excitón, un par ligado de electrón y hueco que se crea al absorber. Mientras el par no se recombina, el punto permanece en silencio. Para que la línea no se quede parada, los pulsos láser se recortan a una frecuencia de hasta un gigahercio, es decir, cada nanosegundo. Para ello, el haz continuo pasa por dos moduladores electroópticos que se abren y se cierran bajo las órdenes de un chip programable.

La eficiencia del sistema, es decir, la fracción de fotones que realmente entran en la fibra monomodo, se mantiene por encima de la mitad en las tres frecuencias probadas: 56,2% a 80 megahercios, 53,8% a 500 megahercios y 51,5% a un gigahercio. La pureza de fotones individuales, medida mediante autocorrelación de segundo orden, fue del 3,98%, 3,63% y 11,13%, respectivamente. Esto significa que de cada cien pulsos, solo unos pocos emiten dos fotones a la vez. Tras añadir un filtro a la frecuencia más baja, la pureza mejoró hasta el 2,80%, y la visibilidad de la interferencia de dos fotones de Hong-Ou-Mandel aumentó del 55% al 92%, a costa de perder un 12% de luz.

Lo más inesperado es el método de medición. El flujo de fotones es tan denso que su potencia puede medirse con un medidor de potencia óptica industrial común, como los que usan los ingenieros de telecomunicaciones. A frecuencia de gigahercios, la potencia fue de 110 picovatios. Es nueve millones de veces más débil que el haz de un puntero láser, pero el dispositivo es capaz de medirla. Antes, para contar fotones se necesitaban detectores superconductores que deben enfriarse casi hasta el cero absoluto. Ahora basta un dispositivo comercial y unos pocos segundos.

Una línea que produce un fotón por ciclo ya puede acelerar la distribución cuántica de claves en enlaces de fibra óptica o servir como referencia de potencia óptica en metrología. El siguiente paso es reducir el tiempo de vida del emisor para superar el gigahercio de frecuencia de reloj, o dividir el flujo en varios canales para experimentos multifotónicos. Esta fuente no requiere enfriamiento criogénico de los detectores y funciona a temperatura ambiente, lo que la convierte en candidata a caballo de batalla de las futuras redes cuánticas.