Cuántico

Diálogo del 29 de agosto de 2023

Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han resaltado los siguientes atributos al tiempo que garantizan la credibilidad del contenido:

verificado

publicación revisada por pares

fuente confiable

escrito por investigador(es)

corregir

por Kosala Herath y Malin Premaratne

La demanda de intercambio y procesamiento rápido de datos ha provocado una carrera por un mayor ancho de banda en los sistemas de comunicación inalámbrica. Esto se describe en la Ley de Edholm, que establece que el ancho de banda y las velocidades de datos aproximadamente se duplican cada año y medio. A medida que nuestras redes inalámbricas se acercan a sus límites, la búsqueda de velocidades de datos aún más rápidas lleva a los investigadores a explorar territorios inexplorados: bandas de frecuencia más altas como ondas milimétricas, terahercios y frecuencias ópticas.

Si bien se ha adoptado la longitud de onda milimétrica en sistemas inalámbricos de corto alcance, se necesita más para las demandas futuras. La comunicación inalámbrica óptica ofrece un gran ancho de banda, pero enfrenta desafíos debido a las normas de seguridad y problemas de ruido. La comunicación de terahercios podría proporcionar velocidades de datos increíblemente rápidas para aplicaciones cotidianas, incluso aquellas a escala de chip, como los microprocesadores integrados.

La informática moderna depende en gran medida de procesadores multinúcleo: dispositivos en miniatura que contienen múltiples unidades de procesamiento. Últimamente, los fabricantes han mejorado el rendimiento añadiendo más unidades de procesamiento y reduciendo el tamaño de los sistemas de chips. Esto ha llevado a un aumento significativo en el número de piezas informáticas individuales en un espacio pequeño, haciendo que las conexiones entre ellas sean más complejas. Sin embargo, las formas convencionales en que se conectan estas piezas son ineficientes y pueden ralentizar el sistema.

Para abordar este desafío, surge una solución interesante: utilizar métodos de comunicación inalámbrica que funcionen dentro del rango de terahercios. Estos métodos pueden establecer conexiones inalámbricas rápidas y eficientes entre los distintos componentes del sistema. Sin embargo, la implementación efectiva de estas tecnologías requiere la integración de diferentes componentes para procesar señales dentro del extremo receptor del sistema. Esto implica las tareas cruciales de detectar y decodificar información de la señal transmitida. Además, alinear la antena del receptor con la longitud de onda específica de la señal portadora de terahercios presenta una dificultad para hacer que el receptor sea compacto.

Como resultado, el enfoque actual a menudo resulta en receptores voluminosos, pesados ​​y poco confiables. Esta limitación ha llevado a los investigadores a concentrarse en desarrollar tecnologías de receptores innovadoras que no sólo sean pequeñas y livianas sino que también consuman menos energía.

Nuestro equipo de investigación ha revelado un marco teórico integral: un detector y demodulador de señales de terahercios a escala cuántica. Este enfoque innovador aprovecha el comportamiento cuántico de los portadores de carga cuando se exponen a una conducción periódica intensa. Nuestros hallazgos han sido publicados en la revista Physica Scripta.

En el ámbito de la física de la materia condensada, el uso de interacciones luz-materia para llevar materiales cuánticos a estados alejados del equilibrio es fundamental para revelar nuevas fases cuánticas que siguen siendo inaccesibles en entornos de equilibrio. Entre los métodos comúnmente citados destaca la ingeniería Floquet. Esta técnica permite a los investigadores explorar muchos estados cuánticos novedosos que surgen cuando un sistema se somete a una radiación intensa y periódica [1, 2, 3].

Gracias a la ingeniería de Floquet, hemos demostrado que la conductividad de un pozo cuántico semiconductor bidimensional se vincula linealmente con la frecuencia de la radiación aplicada dentro de un rango específico. La base de nuestros hallazgos radica en comprender que someter un semiconductor bidimensional a conducción periódica mejora su conductividad eléctrica.

Esta mejora se produce debido a la alteración de las funciones de onda de los electrones por el campo aplicado, lo que resulta en una reducción de la probabilidad de dispersión de impurezas de electrones [4]. Este descubrimiento allana el camino para un receptor inalámbrico cuántico construido para detectar y clasificar datos inalámbricos de frecuencia modulada en la escala más pequeña.

Aprovechando este avance, hemos realizado simulaciones numéricas que muestran la viabilidad de crear un demodulador de frecuencia inalámbrico cuántico que funcione en el rango de terahercios para comunicaciones inalámbricas de corto alcance. Nuestra investigación presenta un enfoque novedoso para recibir y decodificar señales moduladas digitalmente que abarcan el espectro de terahercios, logrado mediante el uso de un pozo cuántico semiconductor de unos pocos nanómetros de espesor basado en la heteroestructura de GaAs/AlGaAs.

Los resultados de nuestra investigación revelan un dominio inexplorado de posibilidades extraordinarias que podrían transformar la tecnología de comunicación inalámbrica a escala de chip. Con el potencial de mejorar la eficiencia y el diseño optimizado, nuestros hallazgos introducen posibilidades para dispositivos, circuitos y elementos inalámbricos de próxima generación. Este avance abre la puerta a un espectro diverso de aplicaciones, que abarca el avance de la comunicación inalámbrica, el radar y la tecnología cuántica.

Esta historia es parte de Science X Dialog, donde los investigadores pueden informar los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.

Kosala Herath es candidato a doctorado y miembro del Laboratorio de Simulaciones y Computación Avanzada (qdresearch.net) de Ingeniería de Sistemas Informáticos y Eléctricos de la Universidad de Monash, Australia.

El profesor Ampalavanapillai Nirmalathas es actualmente el vicedecano de Investigación de la Facultad de Ingeniería y Tecnología de la Información, el líder del Laboratorio de Innovación Inalámbrica (WILAB) y profesor de Ingeniería Eléctrica y Electrónica.

Sarath D. Gunapala es físico del estado sólido y científico investigador senior en el Jet Propulsion Laboratory (JPL) del Instituto de Tecnología de California en Pasadena, CA. Dirige el Grupo de Fotónica Infrarroja del Laboratorio de Propulsión a Chorro.

Malin Premaratne obtuvo varios títulos de la Universidad de Melbourne, incluido un B.Sc. en matemáticas, una licenciatura en ingeniería eléctrica y electrónica (con honores de primera clase) y un doctorado en 1995, 1995 y 1998, respectivamente. Actualmente, se desempeña como Vicepresidente de la Junta Académica de Monash Universi.

Más información: Kosala Herath et al, Método de demodulación de frecuencia basado en ingeniería Floquet para comunicaciones inalámbricas de corto alcance THz, Physica Scripta (2023). DOI: 10.1088/1402-4896/aceebc

1 Kosala Herath et al, Modelo generalizado para las propiedades de transporte de carga de sistemas Hall cuánticos vestidos, Physical Review B (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.105.035430

2 Kosala Herath et al, Ingeniería de floquet de modos de polariton de plasmón de superficie revestida en guías de ondas plasmónicas, Physical Review B (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.106.235422

3 Kosala Herath et al, Un enfoque de ingeniería de Floquet para optimizar las guías de ondas plasmónicas de superficie basadas en uniones Schottky, Scientific Reports (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-37801-x

4 Malin Premaratne y Govind P. Agrawal, Fundamentos teóricos de los dispositivos cuánticos a nanoescala, Cambridge University Press (2021). DOI: 10.1017/9781108634472

Información de la revista:Informes Científicos, Revisión Física B