Photons tune in and shape up

(Recuperado de: http://physicsworld.com/cws/article/news/46765, el 3 de Agosto
de 2011)
Photons tune in and shape up
Aug 3, 2011
Optical fibres and quantum memories are not compatible
Physicists in the US have created a device that can emit single photons of the right shape
and colour for use in quantum information. The advance is another step in the development
of practical quantum-computing and quantum-cryptography systems.
Quantum computing exploits the peculiar laws of quantum physics to process certain
calculations much faster than any of today's computers, whereas quantum cryptography
uses those laws to prevent eavesdropping on secure communications. Both rely on the
transmission of quantum information, and one of the best media for transmitting quantum
information is single photons.
However, photons also come with some practical difficulties. Transferring quantum
information over long distances requires telecommunications optical fibres, which work
most efficiently at infrared wavelengths. Storing quantum information involves devices
called quantum memories, which prefer photons at visible or near-visible wavelengths and
with a certain "shape" or intensity profile. As a result, researchers have been trying to
develop devices that convert telecommunications-band photons to photons that are
compatible with quantum memories.
The past several years has seen a number of research groups come up with methods to
manipulate either a single photon's shape or its wavelength. Now, however, Matthew
Rakher and others at the National Institute of Standards and Technology (NIST) in
Gaithersburg, Maryland, have devised a way to do both at once. "Our work provides a
method to take telecommunications-band single photons, which are ideal for transmission,
and change their wavelength and shape so that they can be stored in visible-wavelength
quantum memories," says Rakher.
Stronger and faster
To release single photons, Rakher and colleagues use a quantum dot, which is a
semiconductor version of a single atom. A quantum dot has discrete energy levels and can
reliably emit a single photon every time it is excited, usually with infrared wavelengths of
about 1300 nm. The NIST researchers collect these photons in a fibre optic and direct them
to a crystal, where they are combined with a stronger and faster laser pulse that has a
wavelength of about 1550 nm. This prompts a process known as sum-frequency
conversion, which translates the photon's wavelength to a visible 710 nm. What is more, the
single photons adopt the laser pulse's tighter shape.
Wolfgang Lange at the University of Sussex in the UK praises the results of the NIST
researchers, but notes that more work needs to be done. "In particular, the efficiency of the
source should be enhanced," he says. "But [their demonstration] is a very important step
forward on the way to the perfect single-photon source, bridging the gap between quantum
dots and devices for transferring, processing and storing quantum information."
Rakher thinks that the next step for his group is to change the wavelength and shape of the
single photons to specifically match the requirements of quantum memory. "This will be a
crucial step in developing quantum-dot single-photon sources for use in quantuminformation applications," he says.
The research is due to be published in Physical Review Letters.
About the author
Jon Cartwright is a freelance journalist based in Bristol, UK
Fotones sintonizados y preparados
03 de agosto 2011
Fibras ópticas y memorias cuánticas no son compatibles
Físicos en los EE.UU. han creado un dispositivo que puede emitir fotones individuales de
la forma y el color para su uso en la información cuántica. El avance es un paso más en el
desarrollo de sistemas prácticos de computación cuántica y criptografía cuántica.
La computación cuántica aprovecha las leyes peculiares de la física cuántica para procesar
ciertos cálculos mucho más rápido que cualquiera de las computadoras de hoy, mientras
que la criptografía cuántica utiliza las leyes para impedir la intromisión de las
comunicaciones seguras. Ambos se basan en la transmisión de la información cuántica, y
uno de los mejores medios para transmitir información cuántica es fotones individuales.
Sin embargo, los fotones también vienen con algunas dificultades prácticas. La
transferencia de información cuántica a largas distancias requiere de fibras ópticas de
telecomunicaciones, que trabajan mucho más eficaz en longitudes de onda infrarrojas. El
almacenamiento de información cuántica consiste en dispositivos llamados recuerdos
cuántica, que prefieren los fotones con longitudes de onda visible o casi visible y con una
cierta "forma" o perfil de intensidad. Como resultado, los investigadores han estado
tratando de desarrollar dispositivos que convierten la banda de fotones de las
telecomunicaciones a los fotones que son compatibles con memorias cuánticas.
Los últimos años se ha visto una serie de grupos de investigación de idear métodos para
manipular de forma, un solo fotón, o su longitud de onda. Ahora, sin embargo, Mateo
Rakher y otros en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Gaithersburg,
Maryland, han ideado una manera de hacer ambas cosas a la vez. "Nuestro trabajo
proporciona un método para tomar las telecomunicaciones de banda fotones, que son
ideales para la transmisión, y cambiar su longitud de onda y la forma para que puedan ser
almacenados en la longitud de onda visible-memorias cuánticas", dice Rakher.
Más fuerte y más rápido
Para liberar fotones individuales, Rakher y sus colegas utilizan un punto cuántico, que es
una versión de semiconductores de un solo átomo. Un punto cuántico tiene niveles
discretos de energía fiable y puede emitir un único fotón cada vez que se complace, por lo
general con longitudes de onda infrarroja de unos 1300 nm. Los investigadores del NIST
recoger estos fotones en una fibra óptica y dirigirlos a un cristal, en el que se combinan con
un pulso de láser más potente y más rápido que tiene una longitud de onda de 1550 nm.
Esto lleva a un proceso conocido como conversión suma frecuencia, que se traduce en la
longitud de onda del fotón a un visible 710 nm. Es más, los fotones individuales adoptar
estrictas forma del pulso láser.
Wolfgang Lange en la Universidad de Sussex en el Reino Unido elogia los resultados de
los investigadores del NIST, pero señala que aún queda trabajo por hacer. "En particular, la
eficiencia de la fuente debe ser mejorado", dice. "Pero [la manifestación] es un paso muy
importante hacia adelante en el camino hacia la perfecta fuente de fotón único, reduciendo
la brecha entre los puntos cuánticos y dispositivos para la transferencia, procesamiento y
almacenamiento de información cuántica."
Rakher cree que el siguiente paso para su grupo es cambiar la longitud de onda y la forma
de los fotones individuales para que coincida específicamente con los requisitos de la
memoria cuántica. "Este será un paso crucial en el desarrollo de puntos cuánticos de fotón
único de fuentes para su uso en aplicaciones de información cuántica", dice.
La investigación debe ser publicado en Physical Review Letters .
Acerca del autor
Jon Cartwright es un periodista independiente con sede en Bristol, Reino Unido