Nueva técnica permite estudiar átomos individuales que están demasiado cerca para distinguir unos de otros

Cuando los átomos se acercan mucho, desarrollan interacciones intrigantes que podrían aprovecharse para crear nuevas generaciones de informática y otras tecnologías.

Estas interacciones en el ámbito de la física cuántica han resultado difíciles de estudiar experimentalmente debido a las limitaciones básicas de los microscopios ópticos.

Ahora, un equipo de investigadores de Princeton, dirigido por Jeff Thompson, profesor asistente de ingeniería eléctrica, ha desarrollado una nueva forma de controlar y medir átomos que están tan juntos que ninguna lente óptica puede distinguirlos.

Descrito en un artículo publicado en la revista Science, su método excita átomos de erbio estrechamente espaciados en un cristal utilizando un láser finamente sintonizado en un circuito óptico de escala nanométrica.

Los investigadores aprovechan el hecho de que cada átomo responde a frecuencias o colores ligeramente diferentes de la luz láser, lo que permite a los investigadores resolver y controlar múltiples átomos, sin depender de su información espacial.

En un microscopio convencional, el espacio entre dos átomos desaparece efectivamente cuando su separación está por debajo de una distancia clave llamada límite de difracción, que es aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz.

Esto es análogo a dos estrellas distantes que aparecen como un solo punto de luz en el cielo nocturno.

Sin embargo, esta es también la escala a la que los átomos comienzan a interactuar y dan lugar a un comportamiento mecánico cuántico rico e interesante.

“Siempre nos preguntamos, en el nivel más fundamental, dentro de los sólidos, dentro de los cristales, ¿qué hacen realmente los átomos? ¿Cómo interactúan?” dijo el físico Andrei Faraon, profesor del Instituto de Tecnología de California que no participó en la investigación.

“Este [documento] abre la ventana para estudiar los átomos que están muy, muy cerca“.

El estudio de los átomos y sus interacciones a distancias diminutas permite a los científicos explorar y controlar una propiedad cuántica conocida como espín.

Como forma de impulso, el giro o espín generalmente se describe como arriba o abajo (o ambos, pero esa es otra historia).

Cuando la distancia entre dos átomos se hace cada vez más pequeña (meras mil millonésimas de metro), el giro de uno ejerce influencia sobre el giro del otro y viceversa.

A medida que los espines interactúan en este ámbito, pueden entrelazarse, un término que los científicos usan para describir dos o más partículas que están inextricablemente vinculadas.

Las partículas entrelazadas se comportan como si compartieran una existencia, sin importar qué tan lejos estén más tarde.

El entrelazamiento es el fenómeno esencial que separa la mecánica cuántica del mundo clásico, y está en el centro de la visión de las tecnologías cuánticas.

El nuevo dispositivo de Princeton es un trampolín para que los científicos estudien estas interacciones de espín con una claridad sin precedentes.

Una característica importante del nuevo dispositivo de Princeton es su potencial para abordar cientos de átomos a la vez, proporcionando un rico laboratorio cuántico en el que recopilar datos empíricos.

Es una bendición para los físicos que esperan descubrir los misterios más profundos de la realidad, incluida la espeluznante naturaleza del entrelazamiento.

Tal investigación no es meramente esotérica.

Durante las últimas tres décadas, los ingenieros han intentado utilizar los fenómenos cuánticos para crear tecnologías complejas para el procesamiento de la información y la comunicación, desde los bloques de construcción lógicos de las computadoras cuánticas emergentes, capaces de resolver problemas que de otro modo serían imposibles, hasta métodos de comunicación ultraseguros que pueden vincular las máquinas en un sistema de Internet cuántica imposible de piratear.

Para desarrollar aún más estos sistemas, los científicos necesitarán entrelazar partículas de manera confiable y explotar su entrelazamiento para codificar y procesar información.

El equipo de Thompson vio una oportunidad en el erbio.

Utilizado tradicionalmente en láseres e imanes, el erbio no se exploró ampliamente para su uso en sistemas cuánticos porque es difícil de observar, según los investigadores.

El equipo hizo un gran avance en 2018, desarrollando una forma de mejorar la luz emitida por estos átomos y detectar esa señal de manera extremadamente eficiente.

Ahora han demostrado que pueden hacerlo todo en masa.

Cuando el láser ilumina los átomos, los excita lo suficiente para que emitan una luz tenue a una frecuencia única, pero lo suficientemente delicada para preservar y leer los espines de los átomos.

Estas frecuencias cambian muy sutilmente según los diferentes estados de los átomos, de modo que “arriba” tiene una frecuencia y “abajo” tiene otra, y cada átomo individual tiene su propio par de frecuencias.

“Si tiene un conjunto de estos qubits, todos emiten luz a frecuencias ligeramente diferentes.

Por lo tanto, al sintonizar el láser con cuidado a la frecuencia de uno o la frecuencia del otro, podemos abordarlos, aunque no tengamos la capacidad para resolverlos espacialmente “, dijo Thompson.

“Cada átomo ve toda la luz, pero solo escuchan la frecuencia a la que están sintonizados“.

La frecuencia de la luz es entonces un proxy perfecto para el giro.

Cambiar los giros hacia arriba y hacia abajo les da a los investigadores una forma de hacer cálculos.

Es similar a los transistores que están encendidos o apagados en una computadora clásica, dando lugar a los ceros y unos de nuestro mundo digital.

Para formar la base de un procesador cuántico útil, estos qubits deberán ir un paso más allá.

“La fuerza de la interacción está relacionada con la distancia entre los dos giros“, dijo Songtao Chen, investigador postdoctoral en el laboratorio de Thompson y uno de los dos autores principales del artículo.

“Queremos acercarlos para que podamos tener esta interacción mutua y usar esta interacción para crear una puerta lógica cuántica“.

Una puerta lógica cuántica requiere dos o más qubits entrelazados, lo que la hace capaz de realizar operaciones cuánticas únicas, como calcular los patrones de plegado de proteínas o enrutar información en Internet cuántica.

Thompson, quien ocupa un puesto de liderazgo en la nueva iniciativa de ciencia cuántica de 115 millones de dólares del Departamento de Energía de los EE. UU., tiene la misión de poner a estos qubits a la altura.

Dentro del área de materiales del Co-Design Center for Quantum Advantage, lidera las secciones sobre qubits para computación y redes.

Su sistema de erbio, un nuevo tipo de qubit que es especialmente útil en aplicaciones de redes, puede operar utilizando la infraestructura de telecomunicaciones existente, enviando señales en forma de luz codificada sobre dispositivos de silicio y fibras ópticas.

Estas dos propiedades le dan al erbio una ventaja industrial sobre los qubits de estado sólido más avanzados de la actualidad, que transmiten información a través de longitudes de onda de luz visible que no funcionan bien con las redes de comunicación de fibra óptica.

Aún así, para operar a escala, el sistema de erbio necesitará una mayor ingeniería.

Si bien el equipo puede controlar y medir el estado de giro de sus qubits sin importar cuán cerca estén, y usar estructuras ópticas para producir medidas de alta fidelidad, aún no pueden organizar los qubits según sea necesario para formar puertas de dos qubits.

Para hacer eso, los ingenieros necesitarán encontrar un material diferente para albergar los átomos de erbio.

El estudio fue diseñado con esta futura mejora en mente.

“Una de las principales ventajas de la forma en que hemos realizado este experimento es que no tiene nada que ver con el host en el que se encuentra el erbio“, dijo Mouktik Raha, un estudiante graduado de sexto año en ingeniería eléctrica y uno de los dos líderes del artículo.

“Siempre que pueda poner erbio en su interior y no se mueva, estará listo“.

Fuente: Princeton University