Que vengan los fotones, grandes y pequeños: cómo, con un láser y una gota de yodo, construir un Internet ultraconfiable

El control de fotones individuales en condiciones ordinarias ha sido durante mucho tiempo una tarea técnicamente compleja. Aunque la luz se utiliza activamente en las telecomunicaciones, la posibilidad de controlar con precisión sus propiedades cuánticas abre el camino a nuevos niveles de seguridad en la transmisión de datos. Esto es especialmente importante para la comunicación cuántica, donde se requiere una emisión estrictamente individual de fotones — sin destellos espontáneos ni radiación de fondo.

Un grupo de especialistas de Japón presentó un método que permite lograr tal efecto mediante nanotubos de carbono. Estas nanostructuras hace tiempo se consideraban candidatas prometedoras para fuentes de fotones individuales: emiten luz a temperatura ambiente y en las mismas longitudes de onda que se usan en redes de fibra óptica. Sin embargo, hasta ahora no se había logrado controlar con precisión el lugar y la cantidad de zonas emisoras a lo largo del nanotubo, por lo que la emisión seguía siendo impredecible.

La solución fue propuesta por el equipo dirigido por Hiroshi Kato. Suspendieron un nanotubo individual sobre una estrecha microapertura para poder acceder a su superficie. Luego el nanotubo fue expuesto a vapores de yodobenceno, una sustancia capaz de reaccionar con el carbono. La etapa clave fue la irradiación puntual del nanotubo con un láser ultravioleta: bajo su acción se generó un defecto en la red cristalina en un punto estrictamente determinado.

Ese defecto, llamado centro de color, es una trampa cuántica para excitones —pares ligados de electrones y huecos. La energía liberada por su recombinación se emite en forma de un único fotón. Para evitar la formación de varios de estos centros, el equipo supervisó continuamente el espectro de fotoluminiscencia. Ante los primeros indicios de cambio en la emisión, el proceso se detenía de inmediato. Este enfoque permitió obtener una fuente estable de fotones individuales con precisión de posicionamiento de hasta un micrómetro.

Además, el láser puede desplazarse para elegir el lugar de creación del centro de color, lo que abre perspectivas para la fabricación industrial de dispositivos fotónicos escalables. Según los autores del estudio, esta solución puede sentar las bases para la creación de circuitos cuánticos de nueva generación, capaces de funcionar a temperatura ambiente e integrarse en la infraestructura de telecomunicaciones existente.

En planes futuros está pasar a la creación de chips fotónicos con estos nanotubos. El siguiente paso será desarrollar dispositivos que puedan conectarse directamente a redes ópticas y producirse a escala industrial.