Nanociencia cuántica

Los sistemas a nanoescala son ideales para estudiar los efectos de la mecánica cuántica y explorarlos como recursos para la tecnología cuántica emergente, como la detección cuántica, la comunicación o la computación.

¿Necesitamos centrarnos en la nanotecnología cuántica? ¿No es la mecánica cuántica parte integral de toda la nanociencia?

Sí lo es. Cuando se trata de la escala de longitud de átomos y moléculas, la mecánica cuántica siempre está en juego. Y, sin embargo, a menudo no se encuentra en el centro de la investigación. 

En muchas áreas de la nanociencia y la nanotecnología, los efectos de la mecánica cuántica pueden ignorarse en gran medida, requieren una consideración menor o son fundamentales para comprender el sistema. 

Pero no son las propiedades y características las que hacen que el sistema sea de interés para la investigación. Por el contrario, hay campos de la nanociencia que emplean explícitamente sistemas a nanoescala para explorar los efectos de la mecánica cuántica, por ejemplo, la coherencia, la ocupación del estado o el entrelazamiento, y utilizan la mecánica cuántica como un recurso para aplicaciones de tecnología emergente, como la computación y la comunicación cuánticas, o detección cuántica. 

Para tal fin, Se pueden utilizar diferentes grados de libertad como la carga, el electrón o el espín nuclear de átomos, moléculas o puntos cuánticos semiconductores, así como fotones o vibraciones. El progreso observado en la nanociencia durante las últimas décadas permite ahora un control exquisito sobre las estructuras a nanoescala mediante enfoques de fabricación y síntesis. Los investigadores ahora pueden adaptar los efectos de la mecánica cuántica a voluntad y con gran delicadeza.

Iniciado por Andreas Heinrich y Andrea Morello, un grupo de investigadores de diferentes campos de la nanociencia y la nanotecnología revisan los sorprendentes desarrollos en las áreas donde se encuentran la ciencia nano y cuántica. Esbozan los principios físicos subyacentes del campo de investigación, un campo en el que acuñan la nanociencia coherente cuántica, y miran hacia el futuro, describen importantes obstáculos encontrados en los subcampos y las perspectivas tecnológicas.

Una de estas áreas que muestra un tremendo progreso durante la última década es la fotónica cuántica. En su revisión , Ravitej Uppu et al. utilizan el ejemplo de los dispositivos de puntos cuánticos para presentar los principios físicos rectores de las interfaces deterministas de fotón-emisor y los diferentes bloques de construcción fotónicos. Los autores muestran cómo un enfoque fotónico modular puede conducir a hardware cuántico escalable, tomando prestado el atractivo de la tecnología madura de fundición fotónica integrada, que, según los autores, permitirá la ampliación.

Muy relacionado está el comentario de Chao-Yang Lu y Jian-Wei Pan. Los autores analizan la futura Internet cuántica e identifican componentes en los que la nanotecnología en forma de fuentes de fotón único de puntos cuánticos puede proporcionar soluciones viables para habilitar redes cuánticas de larga distancia. Argumentan que los puntos cuánticos de semiconductores son adecuados para permitir la distribución de claves cuánticas, la teletransportación cuántica a larga distancia, la distribución por entrelazamiento o la computación cuántica.

En un segundo comentario, Maud Vinet apunta a un área diferente en la intersección de la investigación fundamental y aplicada, a saber, los qubits de espín de silicio. Ella analiza por qué, a pesar de las características sorprendentes de los qubits de silicio individuales, esta tecnología aún no está a la par con las plataformas de computación cuántica más maduras, como los qubits superconductores, de iones atrapados o de átomos fríos. Luego, el autor destaca que se necesitan esfuerzos unidos de las comunidades de la computación cuántica y la ingeniería eléctrica para desbloquear todos los beneficios de la plataforma, que, a largo plazo, traerá la competitividad de los qubits de espín de silicio para las computadoras cuánticas a gran escala.

Finalmente, nuestro Enfoque en nanociencia cuántica también incluye investigación primaria: Jiaojian Shi, Weiwei Sun et al. presentan una metodología totalmente óptica para suprimir el parpadeo de fluorescencia en puntos cuánticos de núcleo-capa. El método, basado en pulsos de láser de infrarrojo medio ultrarrápidos que manipulan el estado oscuro salido del punto cuántico, puede encontrar aplicación en técnicas de microscopía de superresolución o seguimiento de una sola partícula en tiempo real, pero también puede traducirse a otros emisores únicos como centros vacantes en diamantes o defectos en dicalcogenuros de metales de transición 2D.

Este artículo de investigación se acompaña de Noticias y opiniones de Anna Rodina, quien no solo resume el mecanismo físico del control del parpadeo, sino que también recopila preguntas importantes que se derivan de este estudio y anticipa cómo metodologías similares basadas en pulsos del infrarrojo medio pueden extenderse a campos vecinos. También es Anna Rodina quien señala que en 1996 Moungi Bawendi, el autor principal de este estudio, fue uno de los investigadores que informaron primero el parpadeo de fluorescencia en nanocristales individuales (Nirmal, M. et al . Nature 383 , 802-804; 1996 ) - qué ilustración de perseverancia y dedicación a la (nano) ciencia.

Con este número de Focus destacamos un área de la nanociencia que ganó terreno durante la última década, tanto en la investigación fundamental como en las aplicaciones de tecnología cuántica. El área reúne a químicos, físicos y científicos de materiales con ingenieros e informáticos y es, al igual que gran parte de la nanociencia, verdaderamente interdisciplinaria. Confiamos en que solo estamos presenciando el comienzo de la nanociencia cuántica y que la ciencia y la tecnología basadas explícitamente en los efectos cuánticos desempeñarán un papel importante para abordar con éxito los desafíos sociales del siglo XXI. Nosotros, los editores de Nature Nanotechnology , estaríamos encantados de acompañar este viaje y promover la hermosa ciencia que surge en el camino.

Cita: Quantum nanoscience. Nat. Nanotechnol. 16, 1293 (2021).