Los científicos del Honda Research Institute USA, Inc. (HRI-US) han logrado un avance significativo en los campos de los materiales cuánticos y las comunicaciones cuánticas al desarrollar un método novedoso para hacer crecer "nanocintas" atómicamente delgadas (un átomo de grosor y decenas de átomos de ancho, materiales en forma de cinta) que permiten la comunicación segura e irrompible de información confidencial.
Esta innovadora tecnología, que se detalla en la revista Nature Communications, permite un control preciso sobre el grosor y el ancho de las nanocintas (NR) de dicalcogenuros de metales de transición y sus propiedades electrónicas, lo que es esencial para su aplicación en optoelectrónica cuántica avanzada.
"Nuestra tecnología proporciona una nueva vía para la síntesis de nanocintas cuánticas con un control preciso del ancho, aprovechando sus propiedades mecánicas y electrónicas únicas como una sola fuente de luz de fotón para realizar una comunicación segura conocida como 'comunicación cuántica'", dijo el Dr. Avetik Harutyunyan, científico jefe sénior del Honda Research Institute USA Inc. y líder de la investigación cuántica.
Las comunicaciones seguras basadas en el método de distribución de claves cuánticas (QKD) aprovechan los principios de la mecánica cuántica para proteger la información. El método QKD se basa en la distribución segura de claves de cifrado entre dos partes, lo que les permite generar una clave secreta compartida que se puede utilizar para cifrar y descifrar información confidencial. Cualquier intento de interceptar las comunicaciones cifradas será detectado inmediatamente, ya que interferiría físicamente con la transmisión de la información.
Los investigadores del HRI y los colaboradores de la universidad fueron capaces de codificar la información en un flujo de fotones individuales -"átomos" de luz o partículas elementales de la luz- emitidos por el nuevo material de nanocinta, de forma similar al uso del código binario de "0" y "1" utilizado en informática. El flujo de fotones se puede utilizar para crear y distribuir la información entre un transmisor y un receptor que se comunican. En este esquema, el transmisor envía una serie de fotones individuales en uno de los dos estados cuánticos posibles, y el receptor realiza una medición que diferencia entre estos estados. Después de comparar los estados cuánticos transmitidos y medidos de los fotones, el emisor y el receptor pueden establecer una clave segura que se puede utilizar para el cifrado de su comunicación. Cualquier intento de espiar la comunicación interferirá inevitablemente con los estados cuánticos, introduciendo errores que pueden ser detectados inmediatamente por el emisor y el receptor.
La regulación del flujo de fotones individuales es esencial para este proceso. Las fuentes de fotones basadas en láser actualmente en uso producen fotones que son demasiado densos (por ejemplo, 7,5 x1020 fotones por pulso) para que este esquema funcione sin interferir con la información codificada, lo que crea la necesidad de una sola fuente emisora de fotones que proporcione el flujo de fotones individuales utilizados para codificar la información.
"Al crear una sola capa atómica de NR a partir de materiales como el disulfuro de molibdeno (MoS2) y el diseleniuro de tungsteno (WSe2) utilizando nanopartículas de aleación de metales de transición como catalizador que inicia el crecimiento de nanocintas, pudimos controlar el ancho de las NR durante el proceso de crecimiento hasta 7 nanómetros", dijo el Dr. Xufan Li, científico principal del HRI-US.
El material NR unidimensional resultante se transfirió a través de la punta afilada de una sonda en forma de cono mediante un proceso de transferencia desarrollado por el Dr. Shuang Wu, científico principal del HRI-US, que crea una estructura electrónica única inducida por la deformación que se localiza en la punta del cono. Bajo la excitación del rayo láser, la estructura electrónica de ingeniería de tensión en la punta de la sonda provocó la emisión de una corriente de fotones individuales.
"Nuestras nuevas nanocintas exhiben notables propiedades electrónicas dependientes del ancho e inducidas por la tensión y características de emisión cuántica, incluida una pureza de hasta el 90% de fotones individuales en el flujo", dijo Harutyunyan. "En investigaciones posteriores con colaboradores, pudimos mejorar aún más la pureza de los fotones por encima del 95%, lo que hace que el material sea muy prometedor para futuras aplicaciones en comunicación cuántica y dispositivos optoelectrónicos cuánticos".
El HRI colaboró con el profesor Nicholas Borys, de la Universidad Estatal de Montana, y el profesor James Schuck, de la Universidad de Columbia, para validar la viabilidad de los nuevos materiales como una única fuente emisora de fotones para la comunicación cuántica. La investigación se completó con contribuciones de múltiples investigadores y organizaciones:
- Samuel Wyss, Joseph Stage y el Dr. Matthew Strasbourg de la Universidad Estatal de Montana
- el Profesor James Hone y el Dr. Emanuil Yanev de la Universidad de Columbia
- el Profesor Ju Li y el Dr. Qing-Jie Li del Instituto Tecnológico de Massachusetts
- Dr. Yang Yang, Yongwen Sun y Yingxin Zhu de la Universidad Estatal de Pensilvania
- Dr. Raymond R. Unocic de la Universidad Estatal de Carolina del Norte
Una investigación previa realizada por HRI sobre el crecimiento controlable por ancho de la doble capa atómica de nanocintas apareció en Science Advances.
El
Honda Research Institute USA (HRI-US) lleva a cabo investigaciones para resolver problemas complejos con aplicación directa a la hoja de ruta tecnológica actual y futura de Honda, incluido el desarrollo de asociaciones estratégicas con instituciones públicas y privadas para fomentar la innovación. HRI-US fue fundada en 2003 y tiene su sede en Silicon Valley. Más información en /usa.honda-ri.com/.