Los chips fotónicos utilizan la luz para procesar datos en lugar de electricidad, lo que permite velocidades de comunicación más rápidas y mayor ancho de banda. Sin embargo, gran parte de la luz permanece atrapada en el chip, dificultando su transmisión al exterior de manera eficiente.
Si se pudiera emitir luz de forma rápida y precisa desde el chip, se abrirían posibilidades para pantallas de mayor resolución, sistemas Lidar más compactos, impresoras 3D más precisas y ordenadores cuánticos de mayor escala.
Nueva clase de dispositivos fotónicos
Investigadores del MIT y otras instituciones han desarrollado una nueva clase de dispositivos fotónicos que permiten la emisión precisa de luz desde el chip al espacio libre de manera escalable.
Este chip utiliza una serie de estructuras microscópicas que se curvan hacia arriba y que se asemejan a pequeños saltos de esquí luminosos. Los investigadores pueden controlar cuidadosamente cómo se emite la luz desde miles de estas estructuras a la vez.
Utilizando esta nueva plataforma, lograron proyectar imágenes a color detalladas que son aproximadamente la mitad del tamaño de un grano de sal. De este modo, la tecnología podría facilitar el desarrollo de gafas de realidad aumentada ligeras o pantallas compactas.
Control preciso de qubits
También demostraron que los “saltos de esquí” fotónicos podrían utilizarse para controlar de manera precisa los qubits en un sistema de computación cuántica.
“En un chip, la luz viaja por cables, pero en nuestro mundo normal, la luz viaja donde quiere. La interfaz entre estos dos mundos ha sido un desafío. Ahora, con esta nueva plataforma, podemos crear miles de haces láser controlables de forma individual que pueden interactuar con el mundo fuera del chip”, comenta Henry Wen, científico investigador del RLE en el MIT.
Wen está acompañado en el trabajo por coautores de diversas instituciones, y la investigación se publica en Nature.
Plataforma escalable y sus aplicaciones
Este trabajo surge del Quantum Moonshot Program, una colaboración entre el MIT, la Universidad de Colorado en Boulder, la Corporación MITRE y Sandia National Laboratories. Su objetivo es desarrollar una plataforma innovadora para la computación cuántica utilizando qubits basados en diamante.
Los qubits de diamante se controlan mediante haces láser, y los investigadores necesitaban un método para interactuar con millones de qubits simultáneamente.
“No podemos controlar un millón de haces láser, pero puede que necesitemos controlar un millón de qubits. Por eso necesitábamos algo que pudiera proyectar haces láser al espacio libre y escanear sobre un área amplia, como lanzar una camiseta al público en un estadio”, explica Wen.
Avances en la fabricación de chips
Las técnicas existentes para emitir luz desde un chip fotónico generalmente manejan solo unos pocos haces a la vez, lo que no es suficiente para interactuar con millones de qubits.
Para crear una plataforma escalable, los investigadores desarrollaron una nueva técnica de fabricación que produce chips fotónicos con estructuras diminutas que se curvan hacia arriba.
Estas “saltos de esquí” para la luz se construyen a partir de estructuras de dos capas de diferentes materiales. Cada material se expande de manera distinta al enfriarse tras la fabricación, lo que permite que las estructuras se curven al enfriarse.
Pintando con luz
Los investigadores pueden emitir luz en diferentes colores y, al ajustar las frecuencias, modificar la densidad del patrón proyectado. Así, pueden “pintar” imágenes en el espacio libre utilizando luz.
“Este sistema es tan estable que ni siquiera necesitamos corregir errores. El patrón permanece perfectamente quieto por sí solo. Solo calculamos qué colores de láser deben estar encendidos en un momento dado y luego los activamos”, comenta Wen.
Dado que los puntos de luz son muy pequeños, esta plataforma puede generar pantallas de altísima resolución. Por ejemplo, su técnica permite encajar 30,000 píxeles en el mismo espacio que solo dos píxeles de pantallas de teléfonos inteligentes.
”Nuestra plataforma es el motor óptico ideal porque nuestros píxeles están en el límite físico de cuán pequeños pueden ser”, añade.
Futuras aplicaciones
Además de pantallas de alta resolución y ordenadores cuánticos más grandes, este método podría utilizarse para producir Lidars lo suficientemente pequeños como para adaptarse a robots diminutos.
También podría aplicarse en procesos de impresión 3D que utilizan láseres para curar capas de resina. Gracias a la generación rápida de haces de luz, se podría aumentar significativamente la velocidad de estos procesos, permitiendo crear objetos más complejos.
En el futuro, los investigadores desean escalar su sistema y realizar experimentos adicionales sobre el rendimiento y la uniformidad de la luz, así como diseñar un sistema más grande para capturar luz de un conjunto de chips fotónicos con “saltos de esquí”.
“Prevemos que esto abrirá la puerta a una nueva clase de capacidades de laboratorio en chip y agentes micro-opto-robóticos definidos litográficamente”, concluye Wen.
Esta investigación fue financiada, en parte, por el MITRE Quantum Moonshot Program, el Departamento de Energía de EE. UU. y el Center for Integrated Nanotechnologies.
