Átomos forzados a funcionar como transistores fotónicos
Investigadores de la Universidad de Purdue han atrapado átomos de cesio en un circuito fotónico integrado, que se comporta como un transistor para fotones similar a los transistores electrónicos.
Estos átomos atrapados demuestran el potencial para construir una red cuántica basada en circuitos nanofotónicos integrados de átomos fríos.
El equipo, dirigido por Chen-Lung Hung, profesor asociado de física y astronomía en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Purdue, ha publicado su descubrimiento en Physical Review X.
"Hemos desarrollado una técnica para utilizar láseres para enfriar y atrapar firmemente átomos en un circuito nanofotónico integrado, donde la luz se propaga en un pequeño 'cable' fotónico, o más precisamente, una guía de ondas que es más de 200 veces más delgada que un cabello humano", explica Hung, que también es miembro del Instituto de Ciencia e Ingeniería Cuántica de Purdue.
"Estos átomos están 'congelados' a solo unas décimas por encima de -273,15 grados Celsius, la temperatura del cero absoluto, y están esencialmente inmóviles. A esta temperatura fría, los átomos pueden ser capturados por un 'rayo tractor' dirigido a la guía de ondas fotónicas y se colocan sobre ella a una distancia mucho más corta que la longitud de onda de la luz, alrededor de 300 nanómetros o aproximadamente el tamaño de un virus. A esta distancia, los átomos pueden interactuar de manera muy eficiente con los fotones confinados en la guía de ondas fotónicas.
"Usando instrumentos de nanofabricación de última generación en el Centro de Nanotecnología Birck, modelamos la guía de ondas fotónica en una forma circular con un diámetro de alrededor de 30 micrones (tres veces más pequeño que un cabello humano) para formar un llamado resonador de micro-anillo. "La luz circularía dentro del resonador de e interactuaría con los átomos atrapados", añade Hung.
Un aspecto clave de la función que el equipo demuestra en esta investigación es que este resonador de micro-anillo acoplado a átomos sirve como un "transistor" para los fotones. Pueden utilizar estos átomos atrapados para bloquear el flujo de luz a través del circuito. Si los átomos están en el estado correcto, los fotones pueden transmitirse a través del circuito. Los fotones se bloquean por completo si los átomos están en otro estado. Cuanto más fuerte interactúen los átomos con los fotones, más eficiente será esta compuerta.
"Hemos atrapado hasta 70 átomos que podrían acoplarse colectivamente a los fotones y bloquear su transmisión en un chip fotónico integrado. "Esto no se había logrado antes", dice Xinchao Zhou, estudiante de posgrado en Física y Astronomía de Purdue.
La nueva técnica permite enfriar con láser de manera muy eficiente muchos átomos en un circuito fotónico integrado. Una vez que muchos átomos quedan atrapados, pueden interactuar colectivamente con la luz que se propaga en la guía de ondas fotónica.
"Esto es único para nuestro sistema porque todos los átomos son iguales e indistinguibles, por lo que podrían acoplarse a la luz de la misma manera y desarrollar coherencia de fase, lo que permite que los átomos interactúen con la luz colectivamente con mayor fuerza. Solo imagine un bote que se mueve más rápido cuando todos los remeros reman en el bote en sincronía en comparación con el movimiento no sincronizado", dice Hung.
"En contraste, los emisores de estado sólido integrados en un circuito fotónico no son 'lo mismo' debido a que los entornos ligeramente diferentes influyen en cada emisor. Es mucho más difícil para muchos emisores de estado sólido desarrollar coherencia de fase e interactuar colectivamente con los fotones como átomos fríos. "Podríamos utilizar átomos fríos atrapados en el circuito para estudiar nuevos efectos colectivos", continúa Hung.
La plataforma demostrada en esta investigación podría proporcionar un enlace fotónico para la futura computación cuántica distribuida basada en átomos neutros. También podría servir como una nueva plataforma experimental para estudiar las interacciones colectivas luz-materia y para sintetizar gases atrapados degenerados cuánticos o moléculas ultrafrías.
"A diferencia de los transistores electrónicos que se utilizan en la vida diaria, nuestro circuito fotónico integrado acoplado a átomos obedece a los principios de superposición cuántica", explica Hung. "Esto nos permite manipular y almacenar información cuántica en átomos atrapados, que son bits cuánticos conocidos como qubits. Nuestro circuito también puede transferir de manera eficiente la información cuántica almacenada en fotones que podrían 'volar' a través del cable fotónico y una red de fibra para comunicarse con otros circuitos integrados acoplados a átomos o interfaces átomo-fotón. Nuestra investigación demuestra el potencial para construir una red cuántica basada en circuitos nanofotónicos integrados de átomos fríos", concluyó.
