Un enfoque innovador para reducir el consumo energético
Investigadores rusos han desarrollado una nueva estrategia que permite disminuir de manera significativa la potencia láser necesaria para iniciar oscilaciones paramétricas ópticas en microresonadores. Estos dispositivos miniatura, con forma de chips anulares, desempeñan un papel clave en las tecnologías cuánticas modernas y se utilizan en la creación de sistemas de computación compactos y ordenadores cuánticos energéticamente eficientes.
Los microresonadores son diminutos acumuladores ópticos fabricados a partir de silicio u otros materiales. Son capaces de almacenar la luz y transformar sus características gracias a efectos no lineales. Resultan especialmente interesantes aquellos resonadores que pueden modificar los parámetros de la radiación, lo que abre nuevas posibilidades para la computación fotónica.
Un equipo de científicos del Centro Cuántico Ruso, MFTI, el Instituto de Física P. N. Lébedev de la RAN y la Universidad Estatal de Moscú llevó a cabo un estudio integral de microresonadores integrados en anillos. Su objetivo fue investigar las condiciones bajo las cuales surgen oscilaciones paramétricas ópticas degeneradas en estos sistemas, un proceso en el que se genera una nueva radiación con propiedades de fase únicas.
Bombeo bicromático y biestabilidad de fase
Durante el estudio, los científicos emplearon la técnica de bombeo bicromático, es decir, actuaron sobre el resonador con dos láseres de diferentes longitudes de onda. Este método permitió obtener estados de luz no clásicos en el sistema a bajas potencias, y al superar cierto umbral, generar una señal paramétrica con dos estados de fase estables. Efectos similares son demandados en máquinas coherentes de Ising y generadores de luz comprimida, que se utilizan en computación cuántica y tecnologías fotónicas.
La principal dificultad consistía en la necesidad de alcanzar potencias elevadas para generar los estados de fase requeridos. Esto ocasionaba importantes efectos térmicos y aumentaba el consumo energético de los dispositivos. Para superar esta barrera, los investigadores se enfocaron en encontrar condiciones óptimas que permitieran minimizar el gasto de energía al activar el modo de señal.
Como resultado del análisis, los científicos determinaron que la optimización del desplazamiento de modos y de la geometría del resonador permite reducir el umbral de potencia a menos de la mitad. Este efecto se logra sincronizando las fases entre los distintos modos dentro del microrresonador, lo que incrementa la eficiencia de generación y reduce la influencia de procesos no lineales competitivos.
Análisis multimodal e ingeniería de dispersión
Para confirmar sus conclusiones, el equipo realizó una simulación numérica utilizando ecuaciones de modos acoplados, considerando además la influencia de la dispersión y la asimetría en el sistema. Se demostró que desplazar el modo central mediante moléculas fotónicas —resonadores conectados entre sí— permite reducir el umbral en un 50%. Además, un desplazamiento simétrico de los modos laterales disminuye la potencia necesaria en un 40% adicional.
El análisis multimodo realizado demostró la estabilidad del sistema incluso con una distribución desigual de potencia entre los dos láseres. La desviación permitida alcanzó el dos por ciento, diez veces más de lo habitual para una generación estable. Esto facilita considerablemente la configuración del equipo y la integración de microresonadores en dispositivos compactos.
Los investigadores destacan que su metodología abre nuevas perspectivas para la creación de dispositivos cuánticos energéticamente eficientes, capaces de funcionar fuera de los laboratorios. Este enfoque podría sentar las bases para el desarrollo de nuevas generaciones de sistemas fotónicos y de computación cuántica.
Planes de futuro y siguientes investigaciones
En los próximos proyectos del equipo está estudiar el papel de la onda de retroalimentación en la formación de una señal con dos estados de fase estables, así como experimentar para validar los cálculos teóricos. Además, los científicos planean analizar modos de captura de frecuencia que podrían incrementar aún más la estabilidad y eficiencia de los microresonadores.
Se espera que el desarrollo continuo de esta tecnología permita crear dispositivos cuánticos aún más compactos y eficientes, capaces de funcionar en condiciones reales. El descubrimiento de los físicos rusos podría representar un paso clave hacia la adopción masiva de las tecnologías cuánticas en la vida cotidiana.
