Iniciar la próxima fase en la computación cuántica

En la sala limpia, el grupo fabrica los cristales por sí mismo y los integra en plataformas de fotónica de tipo III-V (ver imagen). (Fuente: Martin Brandstätter; Copyright: Universidad de Würzburg)

El Dr. Andreas Pfenning dirige el proyecto. (Fuente: Martin Brandstätter; Copyright: Universidad de Würzburg)

En la Universidad Julius-Maximilians de Würzburg (JMU) se está desarrollando actualmente una tecnología que podría ser decisiva para el futuro de las tecnologías cuánticas: un modulador de fase innovador que controla señales de luz de forma extremadamente rápida y casi sin pérdidas. Para el desarrollo de este componente, el grupo de jóvenes investigadores Ferro35, dirigido por el Dr. Andreas Pfenning, catedrático de Física Técnica, recibe más de 6,6 millones de euros del Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR).

Se consideran tecnologías clave para las próximas décadas los ordenadores cuánticos, los sensores cuánticos y las comunicaciones a prueba de escuchas. Sin embargo, a pesar de los grandes avances, aún falta un componente que sea imprescindible para sistemas cuánticos fotónicos escalables: un modulador que influya con precisión en los estados cuánticos sin perturbar la delicada señal de luz. Aquí es donde se centra el grupo de jóvenes investigadores.

Un componente que marca la diferencia

Los moduladores de fase están ya establecidos en redes ópticas clásicas. Sin embargo, las soluciones actuales no son suficientes para las tecnologías cuánticas. «Necesitamos componentes que permitan altas velocidades y, al mismo tiempo, presenten pérdidas ópticas extremadamente bajas», dice Pfenning, «esta combinación no existe todavía, y es crucial para circuitos cuánticos complejos».

Por ello, el grupo de jóvenes investigadores adopta un nuevo enfoque: integra titanato de bario (BTO) en plataformas de fotónica III-V, que ya se utilizan para fuentes eficientes de luz cuántica. La unión de ambos sistemas de materiales se considera tecnológicamente desafiante, pero abre posibilidades completamente nuevas para el control de la luz en el chip.

Cristales de fabricación propia

Para que este enfoque funcione, el equipo fabrica los cristales necesarios ellos mismos: capa por capa, en una sala limpia y bajo ultraalto vacío. El método se llama epitaxia por haz molecular (MBE) y es uno de los procedimientos más precisos en la investigación de materiales. Varias instalaciones de MBE ya están disponibles en el Laboratorio Gottfried-Landwehr para Nanotecnología del grupo, y se está preparando otra específicamente para Ferro35. «Para materiales ferroeléctricos, necesitamos un entorno de proceso especialmente limpio», explica Pfenning, «las más pequeñas impurezas pueden alterar las propiedades de los cristales».

Como en Lego: del componente al circuito cuántico

Además del modulador, el grupo desarrolla otros componentes necesarios para circuitos cuánticos fotónicos, como guías de onda, acopladores y fuentes de luz cuántica integradas. Estos componentes se simulan inicialmente y luego se fabrican en la sala limpia.

«Estamos creando una biblioteca de componentes con la que podemos diseñar, ensamblar y fabricar directamente circuitos», dice Pfenning, «esto recuerda en cierto modo a montar Lego: cuando el elemento adecuado encaja en el lugar correcto, paso a paso se crea un circuito funcional. Los diseños desarrollados de esta manera pueden fabricarse inmediatamente y someterse a pruebas experimentales».

Esto no solo facilita el desarrollo, sino que también abre nuevas posibilidades en la enseñanza. En el futuro, los estudiantes podrán experimentar con estos modelos, ofreciendo un acceso lúdico a un campo de investigación altamente complejo.

Hasta que los ordenadores cuánticos completamente escalables sean una realidad, todavía falta tiempo. Sin embargo, los componentes desarrollados en el proyecto podrían abrir camino antes de lo esperado. «Moduladores rápidos y con pérdidas mínimas también son interesantes para las telecomunicaciones», señala Pfenning. «Nuestra tecnología puede dar impulsos importantes en este campo».

El programa de financiación «Quantum Futur»

Ferro35 recibe financiación en el marco del programa «Quantum Futur 3». La iniciativa del BMFTR apoya a jóvenes investigadores en la creación de grupos de investigación independientes que desarrollan nuevas bases tecnológicas para la segunda generación de tecnologías cuánticas. Para el Dr. Andreas Pfenning, esta financiación supone la oportunidad de establecer una línea de investigación claramente definida en la JMU: la fotónica cuántica ferroeléctrica.

Con Ferro35, se crea una plataforma tecnológica que, a largo plazo, contribuirá a fortalecer la soberanía tecnológica de Alemania y Europa. La financiación incluye la construcción de infraestructura propia, la formación de personal científico y el desarrollo de componentes clave para sistemas cuánticos fotónicos.

Sobre la persona

El Dr. Andreas Pfenning dirige desde 2026 el grupo de jóvenes investigadores Ferro35 en la cátedra de Física Técnica de la JMU. Desde finales de 2022, lidera el grupo de trabajo en Fotónica Cuántica de Semiconductores y realiza su habilitación en Física Experimental.

Tras su doctorado, investigó como postdoctor en el Instituto de Materia Cuántica de la Universidad de British Columbia en Vancouver, donde trabajó en procesamiento de información cuántica fotónica basado en silicio. Su investigación actual combina la fotónica cuántica integrada, nuevos materiales ferroeléctricos y el desarrollo de tecnologías cuánticas escalables.