Nuevas aplicaciones para microláseres en la nanoóptica cuántica

Representación esquemática del experimento: La luz del microláser pulsado eléctricamente (izquierda) se dirige a través de una fibra de vidrio hacia la fuente de fotones individuales (derecha). Allí genera fotones individuales que deben separarse con precisión de la luz láser mediante un filtro de polarización. (© Sören Kreinberg/TU Berlín)

La ciencia en torno a los microláseres y nanoláseres experimenta un auge mundial. En general, los investigadores se ocupan principalmente de la física fundamental de estos láseres. Sin embargo, aún no está claro qué beneficios prácticos podrían tener estos láseres extremadamente pequeños en su aplicación. “La razón por la que todavía no existen o apenas hay aplicaciones posibles para los microláseres, entre otras cosas, es que emiten muy poca potencia óptica. Por ejemplo, serían necesarios 1000 microláseres para alcanzar la potencia de un puntero láser,” explica el Prof. Dr. Stephan Reitzenstein del departamento de “Optoelectronics and Quantum Devices” en el Instituto de Física del Estado Sólido de la TU Berlín. “Sin embargo, podrían ser interesantes aplicaciones en las que solo se necesita muy poca luz. Exactamente eso es lo que ocurre en el funcionamiento de una fuente de fotones individuales.” El grupo de trabajo de Stephan Reitzenstein logró, por primera vez, en el marco de su ERC Consolidator Grant, demostrar un “proof of principle” de que se puede utilizar un microláser para excitar una fuente de fotones individuales, emitiendo fotones. “No solo eso, sino que también logramos unir a dos comunidades dentro de la física: por un lado, la ciencia en torno a los microláseres y, por otro, la en torno a las fuentes de fotones individuales.”

El objetivo principal de este experimento es, entre otros, el uso de microláseres en la comunicación cuántica segura. En el trabajo publicado, el microláser y la fuente de fotones individuales estaban en dos habitaciones diferentes, cada una en un cryostato separado a unos pocos 10 Kelvin, y estaban conectados mediante una fibra de vidrio. “Después de este ‘proof of principle’, el siguiente paso será integrar ambas componentes ‘en chip’. Es decir, colocar el microláser y la fuente de fotones individuales no en habitaciones diferentes, sino en la misma área de chip de unos pocos micrómetros,” explica Stephan Reitzenstein.

El desafío de este experimento consistió, entre otros aspectos, en demostrar claramente que los fotones medidos en la salida del experimento provienen realmente de la fuente de fotones individuales y no del microláser. Normalmente, un punto cuántico (fuente de fotones individuales) emite a una longitud de onda específica — por ejemplo, 830 nanómetros — y el láser a otra, por ejemplo, 700 nanómetros. En ese caso, distinguir los fotones es relativamente sencillo. “En nuestro caso, el punto cuántico y el microláser deben emitir exactamente a la misma longitud de onda. El problema es que el microláser envía aproximadamente un millón de veces más fotones que el punto cuántico. Por eso, es crucial demostrar que los fotones detectados al final del experimento provienen realmente de la fuente de fotones individuales y no del láser,” describe Stephan Reitzenstein. Para ello, su doctorando Sören Kreinberg desarrolló una configuración óptica especial que permite separar los fotones según su polarización. La luz láser, por ejemplo, tiene una polarización horizontal, que excita el punto cuántico. En cambio, el punto cuántico también emite fotones con polarización vertical. “Este filtro, que solo deja pasar fotones con polarización vertical, lo colocamos tras el punto cuántico. Así podemos demostrar claramente que los fotones detectados provienen del punto cuántico,” explica.

Otra importante dificultad fue encontrar un microláser, desarrollado y fabricado en colaboración con el grupo de Prof. Sven Höfling en la Universidad de Würzburg, que tenga una longitud de onda constante y definida, y la fuente de fotones individuales correspondiente. “A diferencia de un láser normal, un microláser no tiene un ‘regulador’ para ajustar la longitud de onda. Cada microláser emite luz a una longitud de onda específica, que puede variar hasta diez nanómetros entre ejemplares. Sin embargo, necesitamos un láser que emita exactamente a la misma longitud de onda que nuestra fuente de fotones individuales. Para ello, mis colaboradores Sören Kreinberg y Tomislav Grbešić tuvieron que probar y analizar cientos de microláseres,” explica Stephan Reitzenstein. La razón por la que microláser y fuente de fotones deben coincidir tan exactamente radica en su posible aplicación en la comunicación cuántica: “Cuando el punto cuántico se excita con luz de diferentes longitudes de onda, también emite fotones con propiedades ligeramente distintas. Esto sería inaceptable para una posible comunicación cuántica.”

Espectroscopía cuántico-óptica de un sistema de dos niveles usando un láser micropilar alimentado eléctricamente como fuente de excitación resonante
Sören Kreinberg, Tomislav Grbešić, Max Strauß, Alexander Carmele, Monika Emmerling, Christian Schneider, Sven Höfling, Xavier Porte y Stephan Reitzenstein
Light: Science & Applications (2018) 7, doi: 10.1038/s41377-018-0045-6