TU Berlín allana el camino para la fabricación en serie de chips cuánticos

Representación esquemática de una plataforma escalable de fuentes de luz cuántica, en la que se integran puntos cuánticos posicionados con precisión en nanoresonadores.

El Prof. Dr. Reitzenstein frente a la cámara de muestras del sistema de litografía por haz de electrones, que fabrica nan Estructuras de alta precisión para fuentes de luz cuántica escalables de próxima generación.

Los chips cuánticos ópticos se consideran componentes clave de las futuras tecnologías de comunicación y computación. Sin embargo, su fabricación ha sido hasta ahora laboriosa, porque las fuentes necesarias para partículas individuales de luz — llamadas puntos cuánticos semiconductores — se formaban de manera aleatoria en el chip y primero había que localizarlas de manera laboriosa. Investigadores de la Universidad Técnica de Berlín han desarrollado ahora una solución a este problema: mediante «estresores» integrados de manera controlada en el sustrato, pueden generar tensiones en el material en la superficie de manera precisa, de modo que los átomos artificiales en forma de puntos cuánticos semiconductores crezcan específicamente en los lugares deseados. Esto sienta las bases para una fabricación escalable y compatible con la industria de chips cuánticos ópticos.

El trabajo fue realizado bajo la dirección del Prof. Stephan Reitzenstein en el grupo de trabajo «Optoelectrónica y elementos cuánticos» en el Instituto de Física y Astronomía de la TU Berlín, en colaboración con investigadores de la Universidad Carl von Ossietzky de Oldenburg. Los científicos desarrollaron una nueva arquitectura de chips cuánticos, en la que los llamados puntos cuánticos — estructuras semiconductoras nanoscopicamente pequeñas para la generación de partículas de luz individuales — se integran con precisión en posiciones predeterminadas en el chip. Los resultados fueron publicados en la revista especializada Light: Science & Applications.

Del azar a la fabricación dirigida

Los puntos cuánticos se consideran fuentes prometedoras de partículas de luz individuales (fotones). Estas partículas de luz son una base importante para futuras aplicaciones como comunicaciones cuánticas seguras, redes cuánticas, sensores cuánticos o computadoras cuánticas fotónicas. Hasta ahora, un problema central surgía ya en la fabricación: los puntos cuánticos se formaban de manera aleatoria durante el proceso de crecimiento en el material semiconductor. Por lo tanto, los investigadores primero tenían que identificar de manera laboriosa los puntos cuánticos adecuados antes de poder fabricar las estructuras fotónicas necesarias alrededor de ellos. «Para unos pocos demostradores, este procedimiento fue muy exitoso. Sin embargo, si se desea fabricar muchas fuentes de luz cuántica con calidad comparable en un chip, la posición aleatoria de los puntos cuánticos se convierte en un cuello de botella», explica Kartik Gaur, quien desarrolló los elementos cuánticos en el marco de su doctorado. «Nuestro enfoque desplaza este paso ya al crecimiento del cristal: los puntos cuánticos se forman allí donde también serán necesarios en el elemento fotónico.»

El grupo de trabajo del Prof. Reitzenstein desarrolló así un método que determina la posición de los puntos cuánticos ya durante el crecimiento del cristal. Esto es posible gracias a una capa especial oculta en el sustrato del chip, que genera tensiones en el material con gran precisión y así controla específicamente el crecimiento de los puntos cuánticos. Posteriormente, los puntos cuánticos se integran directamente en resonadores nanofotónicos, que recogen la luz generada de manera especialmente eficiente y la ponen a disposición para aplicaciones en tecnología cuántica.

Alta eficiencia y calidad reproducible

Con el nuevo método, los investigadores fabricaron una matriz de 6x6 con 36 fuentes de luz cuántica, en la que todos los elementos fabricados funcionaban correctamente. Esto alcanzó una reproducibilidad excelente, que en la fotónica cuántica basada en semiconductores solo se logra muy raramente. «El verdadero valor de este trabajo no reside solo en la alta eficiencia de los elementos», dice Reitzenstein. «Lo decisivo es que podemos demostrar cómo se pueden realizar fuentes de luz cuántica potentes, con calidad controlable y alta reproducibilidad, en un chip semiconductor. Con ello abordamos un desafío central de la fotónica cuántica: la transición de demostradores de laboratorio individualmente optimizados a plataformas escalables y tecnológicamente útiles para futuros sistemas cuánticos.»

Fundamentos para la próxima generación de chips cuánticos

Además, el equipo de investigación analizó en detalle cómo pequeñas desviaciones en la posición de los puntos cuánticos afectan el rendimiento de los elementos. Para ello, combinaron diversos métodos de imagen, espectroscópicos y cuántico-ópticos con simulaciones numéricas. Los trabajos teóricos fueron realizados por el grupo de trabajo del Prof. Christopher Gies en la Universidad Carl von Ossietzky de Oldenburg. Los modelos explican cómo la posición exacta de los puntos cuánticos influye en las propiedades de las partículas de luz generadas y ofrecen directrices importantes para el desarrollo de futuros chips cuánticos.

Se ha comprobado la alta calidad de las fuentes de luz cuántica

El equipo también pudo demostrar cuantitativamente el rendimiento de las fuentes de luz cuántica. En los mejores elementos, lograron acoplar casi la mitad de las partículas de luz generadas para su uso posterior desde el chip, lo cual es un valor muy bueno. Al mismo tiempo, la «pureza» cuántica de las partículas de luz individuales superó el 99 por ciento. Además, las partículas de luz generadas mostraron propiedades cuántico-ópticas casi idénticas, una condición importante para futuros ordenadores cuánticos fotónicos y redes cuánticas, donde muchas partículas de luz deben interactuar de la misma manera exactamente.

Información adicional:

Plataforma fotónica cuántica escalable basada en puntos cuánticos controlados en sitio acoplados a resonadores de rejilla de Bragg circulares, Kartik Gaur, Avijit Barua, Sarthak Tripathi, Léo J. Roche, Steffen Wilksen, Alexander Steinhoff, Sam Baraz, Neha Nitin, Chirag C. Palekar, Aris Koulas-Simos, Imad Limame, Priyabrata Mudi, Sven Rodt, Christopher Gies y Stephan Reitzenstein

https://www.nature.com/articles/s41377-026-02343-0