En Fraunhofer IZM, la física cuántica sale de los libros de texto y se traslada al mundo real. Se están utilizando guías de ondas integradas en vidrio óptico para crear una plataforma universal que permita soluciones de comunicación cuántica a prueba de escuchas y sensores cuánticos de alta precisión, miniaturizados, rápidos y específicos para cada cliente.
En Fraunhofer IZM, la física cuántica sale de los libros de texto y se hace realidad. Con las guías de ondas integradas en vidrio óptico, se está creando una plataforma universal que permite soluciones para la comunicación cuántica a prueba de derivaciones y sensores cuánticos de alta precisión: miniaturizados, rápidos y personalizados.
El gato de Schrödinger está en una caja. ¿Está vivo o muerto? Mientras la caja está cerrada, la mascota puede estar en cualquiera de los dos estados. Si se termina el experimento y se abre la caja, se determina un estado. Lo que a primera vista parece una paradoja filosófica describe en realidad un principio básico de la teoría cuántica: la superposición. Es una de las muchas características especiales de los cuantos que constituyen la base de muchas leyes físicas.
Las tecnologías cuánticas forman parte de nuestra vida cotidiana desde hace más de medio siglo. El láser clásico y el reloj atómico, por ejemplo, son dispositivos de tecnología cuántica de primera generación. Los investigadores entran ahora en una nueva era: no sólo pueden leer los estados de los cuantos individuales, sino también excitarlos activamente e incluso manipularlos. Esta segunda revolución cuántica abre aplicaciones completamente nuevas en comunicación, simulación, informática y tecnología de sensores. Sin embargo, para medir o calcular con los denominados qubits aún se requieren complicados montajes de laboratorio que consumen mucha energía.
Por ello, los investigadores del Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración (IZM) se han propuesto dar el paso de la investigación universitaria básica a las aplicaciones industriales y comercializables. Para conseguir dispositivos rentables, se basan en soluciones técnicas de telecomunicaciones. Allí, los fotones, es decir, las partículas de luz, son los portadores de la información mecánica cuántica. Para su transmisión y manipulación ya existen protocolos e infraestructuras en forma de circuitos impresos especiales.
Los investigadores ven una gran oportunidad de soluciones en comunicación cuántica en el uso de guías de ondas ópticas integradas en vidrio. La clara ventaja de las fibras de vidrio sobre los semiconductores es que el vidrio es transparente a las ondas del infrarrojo cercano, que se utilizan en las tecnologías cuánticas. Como guía de ondas ópticas, el vidrio también tiene pérdidas mucho menores, garantiza una menor dispersión de la luz residual, es más barato de producir y puede reciclarse.
Comunicación segura con criptografía cuántica
El uso de estos chips basados en vidrio junto con la fotónica cuántica permite realizar canales de comunicación a prueba de escuchas, indispensables en el sector bancario, para la seguridad pública y para la exigencia de protección de datos soberanos.
El quid de la encriptación fotónica cuántica reside en el hecho de que el estado de un fotón cambia inevitablemente tras su lectura. Esto hace posible que el receptor reconozca si la información ha sido interceptada, leída o reproducida en su camino. Reconocer esta interceptación en el canal de comunicación y evitar así fugas de datos y ataques de piratas informáticos no es posible con los métodos convencionales de cifrado electrónico.
Sensores cuánticos para una precisión de medición inigualable
En la tecnología de sensores cuánticos, los expertos aprovechan el hecho de que los qubits pueden superponerse como ondas. La fase mecánica cuántica resultante reacciona de forma extremadamente sensible, lo que permite medir incluso átomos individuales. El resultado son sensores para campos gravitatorios y magnéticos, por ejemplo, que alcanzan una precisión sin igual en comparación con los sensores convencionales. Esta solución también permite realizar mediciones a nivel absoluto, lo que significa que no es necesario calibrar los sensores.
Para garantizar que los sensores de alta precisión no se vean perturbados por influencias ambientales indeseables, los investigadores están desarrollando cámaras de vacío aislantes sobre vidrio para que los sensores cuánticos puedan utilizarse también fuera de los laboratorios.
El Dr. Wojciech Lewoczko-Adamczyk y Oliver Kirsch, investigadores asociados del Fraunhofer IZM, conocen las ventajas de la tecnología de sensores cuánticos: "Las cámaras de vacío sobre vidrio permiten utilizar sensores de mecánica cuántica en lugares donde antes eran impensables, por ejemplo como biosensores. Al medir átomos individuales cuyos espectros reaccionan a los campos magnéticos, la luz puede utilizarse para obtener información sobre los campos magnéticos del corazón o el cerebro, complementando las imágenes médicas con TAC o IRM". Los investigadores intentan miniaturizar los sistemas de sensores hasta tal punto que los pacientes puedan incluso moverse libremente durante el examen. "Los sensores cuánticos también pueden contribuir a la investigación alimentaria y la tecnología médica, ya que incluso concentraciones extremadamente bajas de virus o bacterias en una solución pueden medirse mucho más allá de los estándares convencionales", prosigue Oliver Kirsch.
Pero la visión de los investigadores va más allá del simple desarrollo de productos individuales: el objetivo es crear una plataforma universal que permita construir dispositivos fotónicos cuánticos con rapidez y en función de los requisitos del cliente. Para ello, se integran en un sustrato de vidrio guías de onda de unos pocos micrómetros de anchura, que guían la luz específicamente hasta el lugar donde los cuantos pueden excitarse y leerse. Además, el sustrato de vidrio se metaliza con estructuras para poder transmitir también señales eléctricas. Así se crea una plataforma que combina información óptica y eléctrica a nivel cuántico: un circuito impreso electro-óptico. Para acercarse a este objetivo, los investigadores del grupo de Embalaje Fotónico Cuántico han optimizado sus tecnologías fotónicas hasta el punto de hacerlas aptas para su uso en la gama cuántica. En varios proyectos, quieren hacer avanzar las tecnologías cuánticas en Fraunhofer IZM hasta la producción industrial.
